@ 2015.09.30 , 08:30

毒蟾蜍揭示进化如何重演的

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非凡入侵物种一大波毒蟾蜍。Photo by Chris Ison

在当时,澳大利亚农民处在绝望中,这么整似乎是合乎逻辑的。这是在三十年代,甲虫正在摧毁他们的农作物,特别是甘蔗。人们流传着一种喜食这种甲虫的蟾蜍被成功引入夏威夷控制甘蔗田甲虫的故事。当然,澳大利亚人可以求助于农药,但农药是昂贵的而且通常对人和环境有害,而且如果这种蟾蜍能被引进一次,为什么不再□□呢?为什么他们不应该用一种人畜无害的两栖小动物来一劳永逸解决甲虫问题?因此两手提箱海蟾蜍(Rhinella marina;旧称Bufo marinus)在1935年抵达澳大利亚。

这些蟾蜍将产生超过15亿头后代,夺取史上最严重入侵物种的头衔。

这些海蟾蜍没吃带它们来要消灭的甲虫,却吃任何其它能塞进它们大嘴的东西(这种动物能长到1英尺上,重达几磅!)。危害性同样大的是该大陆上没有任何动物能吃掉它们——像其它蟾蜍一样,海蟾蜍用剧毒武装自己,能弄死希望享受田鸡大餐的毫无准备的捕食者。

它们使用的毒素叫蟾酥,攻击心脏。当潜在捕食者吃下蟾蜍的防御性粘液,该毒素通过血液到达心肌,在那里和心脏收缩的关键分子组件之一结合:运输钠离子和钾离子穿过细胞膜的泵。失去这个泵的功能,心脏就不能正常跳动,导致危及生命的情况而且往往是死亡。澳大利亚食肉动物没有与这些毒蟾蜍共舞着进化,因此它们对毒素没有天然防御,结果是毁灭性的。

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澳大利亚巨蜥,正被入侵蟾蜍消灭的许多掠食性物种之一。Photo provided by Thomas Madsen

“我1989年在佛格水坝和相邻的阿德莱德河漫滩开始进行野外保护工作,”澳大利亚卧龙岗大学生物科学学院科学家Thomas Madsen解释说。但到2000年,入侵前线已经接近Madsen的研究地点。知道本地掠食动物可能会被新的有毒猎物伤害,Madsen和他的妻子Beata Ujvari开始在海蟾蜍到来前计数和跟踪巨蜥(大型澳大利亚本土爬行动物)以估计它们的当地数量。Madsen说:“2005年10月,我们在我们的研究地区发现了第一只海蟾蜍。”

“到2009年,巨蜥在我们的研究地点事实上灭绝了。”

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一条死掉的巨蜥在它的杀手身边:一头它企图食用的海蟾蜍。Photo provided by Thomas Madsen

但是虽然澳大利亚食肉动物在成为蟾蜍毒素的牺牲品,它们在亚洲和非洲的吃货亲戚却能相对容易地吃下海蟾蜍和它的毒素。事实上,最初来到澳大利亚的巨蜥可能也像其表兄们一样能耐受蟾蜍毒素。因此Madsen和Ujvari想知道在过去一千五百万到二千五百万年间发生了什么使该蜥蜴那么脆弱。为了查明真相,两人与利物浦热带医学学院阿利斯泰尔·里德毒液研究组的Nick Casewell合作。他们一起审视有和没有蟾蜍毒素抗性的爬行动物的钠钾泵基因。“我们发现,相比于亚-非巨蜥,仅仅两个氨基酸的变化就使得澳大利亚蜥蜴对蟾蜍毒素高度敏感,”Madsen说。研究者们发现,抵抗力至少已经在四个不同场合中分别进化出来,每次总是包括这两个相同变化。但是他们也发现,一旦耐药世系成员停止吃蟾蜍——就像巨蜥来到原先并没有蟾蜍的澳大利亚一样——该基因就又回复原样,表明毒素抗性的成本是昂贵的。“所以现在我们知道澳大利亚巨蜥试图食用引入的海蟾蜍时为什么会死了……澳大利亚巨蜥已经失去了对蟾蜍毒素的抵抗性,”Madsen说。

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蟾蜍毒素抵抗性进化发生了不同的四次!Figure 1 from Ujvari et al. 2015

虽然爬虫类中的结果令人鼓舞,Casewell还想知道其它动物如何进化出蟾酥抵抗。于是他扩大了搜索范围,寻找从昆虫到两栖动物,甚至哺乳动物的基因。“最令人惊讶的是不同类型动物以非常相似方式发展出抗性的数量,”Casewell说,“在我们能够得到数据的所有动物中,我们发现了非常相似的抗性变化。”进化已经反复反复再反复地重演。

“先前曾经描述过没有几个突变能导致毒素抗性,”Casewell解释说,“但我们的结果表明在这个系统中进化能用的选项有限,因此当动物面临类似的强烈选择压力时,抵抗性被汇集到可重复的路径上。”

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同样的变化赋予许多不同物种抵抗性。Figure 2 from Ujvari et al. 2015

如果进化可以重复,那就引出一个问题:澳大利亚巨蜥能及时恢复其抵抗性而在海蟾蜍入侵中生存下来吗?

“这是很难预测的,”Caswell说。到目前为止,看上去希望不大:Madsen和Ujvari已经查看了许多澳大利亚爬行动物的基因,一个抵抗性突变都没有,更别说两个。

有关此类型演化如何发生的更多信息,这里有一段很好的视频:

引用:Ujvari, Beata, et al.“通过可预测分子进化的毒素抗性的普遍收敛性”《国家科学院院刊》(2015):201511706. doi: 10.1073/pnas.1511706112

本文译自 Discover,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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