Plant Com | “减少即是增加”——基因天然功能缺失突变也是一种适应策略

基因的获得和丢失在生物进化过程中起着重要的作用。在过去的二十多年中，基因复制以及新基因产生对生物进化的重要意义被受关注。“减少即是增加（less is more）”假说提出，基因丢失也会对生物的生存及繁衍产生有利的影响。在自然群体中，基因的功能缺失变异（提前终止密码子、移码突变、剪切位点改变和起始密码子丢失）会导致基因功能失活，是天然突变体（图1）。

图1. 基因功能缺失变异的类型

功能缺失变异在各个物种的自然群体中普遍存在。天然功能缺失变异为研究基因功能提供了天然的突变体库。而且，群体水平的功能缺失变异研究为必需基因（生物生存必需的基因）研究提供了研究体系。在群体水平，当某个基因在所有的个体中均没有发生基因功能缺失突变，则说明该基因很可能对于生物的生存繁衍十分重要，是必需基因，发生变异后会产生不利的后果，带有这种变异的个体随后会被自然选择清除掉。

在基因组中大部分的功能缺失突变是中性甚至有害的，然后也有一些缺失变异具有选择优势，对生物生存适应有利。特别是在群体扩张过程中，有些基因发生了功能缺失变异之后，可能会带来有利的影响，并促进个体适应新生境（图2）。

图2. 功能缺失变异促进物种适应性

尽管功能缺失变异在不同物种中已取得一系列进展，但仍然存在许多缺陷或问题。第一，基因功能缺失变异研究仍然是基于一个参考基因组的鉴定，会产生参考基因组偏好性（漏掉了参考基因组中发生功能缺失变异的基因），而利用多套参考基因组（泛基因组）可以为功能缺失变异的鉴定提供更加全面的信息。第二，在基因功能缺失变异发生之后，对相同代谢途径中其他基因的影响如何并不清楚。当一个基因发生变异并失活之后，与该基因所处的相同功能途径中其他基因也可能会随即失活，可能会导致生物进化的不可逆性；另一方面，当功能重要基因发生了功能缺失变异之后，在环境压力下，可能会发生回复突变，使基因恢复或者部分恢复原有功能。第三，有些必需基因发生功能缺失变异后，携带该突变体的个体仍能存活，其机制仍不清晰。第四，目前大多数功能缺失变异的研究聚焦于基因编码区，而忽略了基因调控区的变异也能导致基因失活，调控区的研究应得到重视。第五，功能缺失变异对于作物的遗传改良具有重要意义，但这方面的研究仍很不够。