保守发育可塑性基因在远缘线虫中的功能分化研究揭示表型进化的遗传机制

本研究通过比较两种远缘线虫Allodiplogaster sudhausi和Pristionchus pacificus，揭示了发育可塑性基因在180百万年分化过程中的功能演变规律。研究人员利用CRISPR技术构建基因敲除突变体，发现磺基转移酶（sulfotransferase）和硫酸酯酶（sulfatase）基因作为"开关基因"的功能保守性，而N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（nag）和核激素受体（nhr-40）基因则表现出定量效应或新功能获得。该研究为理解表型可塑性的遗传基础及其在进化中的作用提供了重要见解。

　　

在自然界中，许多生物具有惊人的发育可塑性——同一基因型能根据环境条件产生不同表型。这种能力如何通过基因调控网络的演化而获得，是进化发育生物学的核心问题之一。以线虫为模型，科学家们发现远缘物种间存在保守的形态可塑性机制，但具体基因功能如何分化仍不清楚。德国马克斯·普朗克生物学研究所（Max Planck Institute for Biology）的研究人员选择了两类亲缘关系较远但都具有口器形态可塑性的线虫——Pristionchus pacificus和Allodiplogaster sudhausi，通过比较基因组学和基因编辑技术，揭示了发育可塑性基因在漫长进化过程中的功能演变规律，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究采用了CRISPR-Cas9基因编辑技术构建多种突变体，包括单基因和双基因敲除（针对全基因组复制产生的重复基因），通过显微成像和形态测量分析口器表型。实验使用三种不同食物条件（大肠杆菌E. coli、秀丽隐杆线虫C. elegans和卡门培尔青霉P. camemberti）诱导不同口器形态，并建立了基因互作关系。

两个磺基转移酶基因作为St形态的开关基因

研究发现Asu-ssu-1-A/B双敲除突变体在原本形成狭窄口器（St）的E. coli条件下发育为宽口器（Eu）形态，与P. pacificus中的同源基因Ppa-sult-1功能保守，均作为St形态的"开关基因"。

nag突变体显示中间口器表型

A. sudhausi中的nag-A/B双敲除产生介于St和Eu之间的中间表型，不同于P. pacificus中nag基因的开关作用，表明其在进化中获得了定量调控功能。

nhr-40突变体产生新型Te形态的中间表型

最令人惊讶的发现是nhr-40-A/B双敲除在真菌饮食条件下形成介于Eu和新型"怪物口器"（Te）之间的中间表型，与其在P. pacificus中调控Eu形态的功能截然不同，显示该基因获得了调控新形态的功能。

基因互作网络分析

通过构建多重突变体发现，硫酸酯酶基因Asu-sul-2-A/B位于nhr-40和nag基因下游，在两种线虫中都表现出对其它基因的上位性效应，表明磺化通路在口器可塑性调控中的核心地位。

该研究首次在远缘物种间系统分析了发育可塑性基因的功能演变，发现尽管经过180百万年的独立进化，所有研究的基因都保留了参与口器形态调控的功能，但具体作用方式呈现多样化：从完全保守（磺基转移酶）、功能扩展（硫酸酯酶获得Te调控能力）到功能转变（nhr-40从Eu转向Te调控）。这些发现支持发育可塑性在进化中的关键作用，特别是磺化通路的核心地位为理解形态创新的分子机制提供了新视角。研究还提出全基因组复制可能发生在Te形态进化之后的新假说，为后续研究指明了方向。