蜜蜂（Apis mellifera）线粒体基因组的悖论性进化：偏离突变-选择-漂变平衡的状态

《Archives of Insect Biochemistry and Physiology》：Paradoxical Evolution of Apis mellifera Mitogenomes: Deviation From the Mutation-Selection-Drift Balance

线粒体基因组作为研究进化生物学的重要工具，其演化受生态位适应、能量需求和表型可塑性影响。研究显示蜜蜂线粒体基因组处于"灰色地带"的松弛选择平衡，基因水平信号显示全基因组选择放松，该模型揭示了能量需求和表型可塑性如何塑造线粒体基因组演化。

　　

摘要

线粒体基因组是研究进化生物学的有力工具，因为它受到生物体生态位适应、能量需求和表型可塑性的影响。关于线粒体基因组进化的普遍性结论难以得出，且结果往往不一致。线粒体基因组中的突变数量可能低于预期，其能够避免突变崩溃主要得益于突变-选择-漂变的平衡作用。当线粒体基因组不受任何进化过程显著影响时，就能达到这种平衡状态。选择性清除或背景选择导致的变异减少，以及遗传筛选机制带来的负向选择效应，都会使快速适应的基因的变异减少；同时，由于功能限制，种群中的变异也会被迅速清除。Apis mellifera（西方蜜蜂）因其与生活方式和能量需求相关的适应性特征，成为研究线粒体基因组进化的独特模型。研究人员利用66个代表21个亚种的线粒体基因组数据，探讨了其进化驱动因素。首先分析了核苷酸含量及其变化的突变过程，通过重组事件和开放阅读框（ORF）残余物的数量来评估全基因组的突变情况。在蛋白质编码基因中检测了作用于线粒体基因组的选择压力，并利用系统发育树推断出选择的方向，同时研究了这些选择对蛋白质三维结构可能产生的影响。在Apis mellifera的线粒体基因组中，突变-选择-漂变的平衡倾向于偏离平衡状态。这种平衡似乎是由一种间接的选择现象维持的——这种选择通过基因的复制或“残余”部分来影响整个线粒体基因组，而不会直接作用于蛋白质水平的线粒体基因，也不会导致基因“真实”核苷酸序列发生重大变化。具体机制包括将重复序列插入到保守且可能具有功能的基因残余物（如atp8）中，或将这些残余物插入rRNA基因中，以及通过选择性清除作用对整个基因组产生广泛影响。此外，在Apis mellifera的线粒体基因组中，nd3基因还经历了正向选择。

总结

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  我们发现Apis mellifera的线粒体基因组在一种“弱选择”环境下进化，即突变压力与适应性之间处于平衡状态。

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  基因层面的证据表明存在全基因组的“选择放松”现象，这使得蜜蜂成为研究能量需求和表型可塑性如何塑造线粒体基因组进化的独特模型。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。