迄今最古老的DNA,来自1.2百万年前的猛犸象
发布时间: 2021-02-18

草原猛犸象——真猛犸象的祖先。Beth Zaiken/古遗传学中心,作者提供。


作者:David Díez-del-MolinoLove Dalén, 斯德哥尔摩大学


大多数人认为毛茸茸的猛犸象是末次冰期的标志性物种,末次冰期结束于1.2万年前。但猛犸象大约在500万年前起源于非洲,然后在欧亚大陆和北美洲传播并多样化。


大约100万年前,有一种已知的猛犸象居住在西伯利亚,即草原猛犸(Mammuthus trogontherii)。这被认为是后来的物种如真猛犸(M. primigenius)和哥伦比亚猛犸(M. columbi)的祖先。但事实真的如此吗?


在一项新的研究中(https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03224-9),我们在永久冻土沉积物中发现的遗骸中恢复了120万年前的猛犸象DNA。通过对这些DNA进行测序——研究其遗传信息的构成——我们发现了一个从未被描述过的猛犸象的血统,有关一个猛犸象物种的杂交起源。


百万年前DNA的测序


早在2017年,我们就收到了极其古老的猛犸象牙齿样本,这些牙齿被时间冻结在西伯利亚的永久冻土中。几天后,我们的同事Patrícia Pečnerová带着一个明确的任务进入实验室——从一些已知最古老的猛犸象样本中提取DNA。她成功了。


几周后,我们看到了数以百万计的DNA序列,这些序列无疑与非洲大草原大象基因组相吻合,这是我们用来组装每个猛犸象基因组序列的拼图模型。Pečnerová建立了一些快速的系统发育树——就像猛犸象进化的家族树——并向我们展示了它们。


我们花了很长时间才确定这些序列实际上是非常古老的猛犸象DNA。例如,古DNA显示出的一种化学损伤模式的特征虽然这可能会给一些基因分析带来麻烦,但它也有助于将真正的古代DNA与现代污染物区分开来,现代污染物不会显示出这样的模式。我们的猛犸象序列确实显示了预期的模式。


这些DNA序列还有另一个非常古老的DNA的特点——它们非常零散。在更年轻的、保存较好的来自永久冻土的猛犸象样本中发现的DNA序列较长,而我们只有较短的序列。


这造成了另一个问题,因为较短的序列越来越难以放在基因组的正确位置。它们也可能与污染相混淆。为了避免这种情况,我们不得不丢弃所有低于一定长度阈值的序列,这是痛苦的,但也是必要的。


西伯利亚的真猛犸象牙。Love Dalén


失传的血统和混血的起源


我们试图把我们的样本放在所有已知的猛犸象物种的背景中。结果清楚地表明,110万年前的标本——我们将其命名为Adycha——是真猛犸象的祖先。但是,另一个120万年前的样本——我们将其命名为Krestovka,则要困难得多。它似乎与哥伦比亚猛犸密切相关,又似乎与真猛犸密切相关。


经过多次基因分析,以及数小时的讨论和白板绘图,终于揭开了其中的原因。哥伦比亚猛犸有一个混血的起源——不只是一个祖先系,而是两个。


我们的研究结果描绘了这样一幅图景:哥伦比亚猛犸的祖先中大约有一半可以追溯到Krestovka系,而另一半则是真猛犸象系。


这终于可以解释一个长期存在的猛犸象之谜,为什么到目前为止,所有经过测序的哥伦比亚猛犸的线粒体基因组——完全从动物的母亲那里继承的遗传信息——与真猛犸象的线粒体基因组密切相关。现在,我们认为哥伦比亚猛犸很可能是通过与真猛犸象雌性繁殖获得线粒体的。


抱着猛犸象牙的Love Dalén 和Patrícia Pečnerová。Gleb Danilov


进化:陷入困境


如果要问是什么让真猛犸象成为毛茸茸的猛犸象,大多数人都会提到它们的毛。但是,真猛犸对北极环境的适应性还有很多特点,比如脂肪沉积增加、对低温的耐受力更强、昼夜节律的改变等等。我们研究了一下这些适应性中,有多少是在100多万年前就已经存在的。令人惊讶的是,我们发现这些适应性中的大部分已经存在于Adycha的基因组中。


我们认为这一发现可能会对研究物种如何进化产生广泛的影响。在进化生物学中,有一个悬而未决的问题,即适应的速度是在物种形成事件中——当种群成为独立的物种时——加速,还是一个更渐进的过程。


我们的数据支持后一种情况,即没有证据表明在真猛犸的起源过程中,有更快的自然选择作用。而且,真猛犸的大多数适应性特征在100多万年前漫游于西伯利亚草原的祖先物种中已经存在。


极限在哪里?


到目前为止,最古老的DNA测序属于一匹马的标本,年代在56万年到78万年之间,是从加拿大育空地区的Thistle Creek的永久冻土沉积物中发现的。


我们的百万年历史的猛犸象样本与Thistle Creek马有一个共同的重要特征,它们被保存在零度以下的永久冻土层中。在死亡时或此后不久被冻结,这些遗体中的DNA分子的降解速度被减缓了几十万年,直到我们恢复并测序。


我们认为,永久冻土保存的材料有希望找到更古老的DNA。然而,由于最古老的永冻层沉积物的年代是在早更新世——大约260万年前——很遗憾,这可能就是最古老DNA的极限。




原文发表于 The conversation(2021.2.17),作者David Díez-del-MolinoLove Dalén,译者李亚蒙。

原文链接:https://theconversation.com/amp/we-sequenced-the-oldest-ever-dna-from-million-year-old-mammoths-155485