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2014-7-16 09:23
男女两性从哪来:用变性藻探寻性别起源

摘要 : 自然界中,包括人类在内的大部分动植物都有雌雄两性,这两种性别到底是怎么来的?来自唐纳德植物科学中心(Donald Danforth Plant Science Center)和可再生能源企业研究所(Enterprise Institute for Renewable Fue ...

习斋2014-7-16 09:234140
/来自: 果壳网
  自然界中,包括人类在内的大部分动植物都有雌雄两性,这两种性别到底是怎么来的?来自唐纳德植物科学中心(Donald Danforth Plant Science Center)和可再生能源企业研究所(Enterprise Institute for Renewable Fuels)的一个研究团队找到了强壮团藻(Volvox carteri)中决定性别的主要调控基因,为了解多细胞生物中性别的起源提供了可参考的证据。研究结果日前发表在《PLoS生物》杂志上[1]。


  “在我们之前,大家都不了解单细胞生物的接合型性别系统是如何过渡到多细胞生物的两性异形的。” 研究论文的通讯作者詹姆斯·乌曼(James Umen)博士向果壳网介绍道,“我们的研究结果展示了在团藻目中这种变化是如何发生的,为性别演化可能很大程度上受到单个基因的调控提供了证据。”

  莱氏衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和强壮团藻同属团藻目,亲缘关系较近。莱氏衣藻为单细胞生物,依靠接合型(mating type)进行生殖,可产生两种形态相同的接合型配子,生殖时只能与不同接合型的配子接合。强壮团藻则演化成了多细胞生物,可以由雌性和雄性分别产生卵子和精子。

  以往的研究表明,莱氏衣藻的接合型分化受到位于常染色体上接合座位(mating locus)内的CrMID基因控制,有该基因的会分化成负(-)型,而CrMID缺失时就会分化成正(+)型。乌曼的团队研究发现,强壮团藻的VcMID基因同样是调控性别分化的开关,进行精子发生(spermatogenesis)还是卵子发生(oogenesis)取决于这一单个基因是否存在。根据之前的理论推测,两性异形的出现可能是由调控配子大小的基因和接合基因座位相连接而获得的。“但是从我们的结果可以推测,这一过程可能并没有我们想象中那么复杂。”乌曼对果壳网说。

  强壮团藻的生殖周期可分为两个过程:时长两天的植物性生殖周期,该周期在雌性和雄性团藻中完全一样;通过性别分化产生雌雄配子过程,而这需要一种称为性别诱导蛋白(Sex-inducer)的激素引发。


强壮团藻的生活史示意图,包含植物性生殖周期(A)和两性周期(B)。A:植物生殖周期为两天,对雌雄团藻无差异; B中从左到右展示了两性周期中的关键阶段,从植物性的雄性或雌性藻胞受到性别诱导蛋白作用开始,经过胚胎发生最终产生成熟的雌性和雄性团藻,通过受精作用产生二倍体合子,合子通过减数分裂产生的一个单倍体植物性后代则可重新进入植物性生殖周期。图片来源:Geng S, DeHoff P, Umen JG (2014) PLoS Bio.


  为了测试强壮团藻VcMid蛋白在性别分化中的作用,研究者们首先将VcMID基因整合到了野生型雌性中,结果本应分化成卵子的细胞在VcMID基因产物Mid蛋白的作用下形成了有功能的精子,可以与野生型的卵子进行受精并产生后代。接着,研究者们又通过RNA干扰的方法抑制野生型雄性中Mid蛋白的表达,导致其精子发生转为卵子发生,并产生了有功能的卵子。研究者们还将抑制VcMID基因表达后产生双性表型的雄性进行了自交受精,并获得了后代。然而,研究人员当把CrMID基因引入野生型雌性强壮团藻后,后者并没有表现出雄性表型,这意味着VcMID基因不能被CrMID基因代替,提示二者表达的Mid蛋白具有不同的功能。

  有趣的是,不论是野生型雄性,还是带有VcMID基因的雌性,都有出现自发的性别诱导现象,但VcMID基因被抑制表达的雄性则不能再进行自发的性别分化。对此,乌曼解释道:“VcMID基因与性别诱导蛋白之间可能存在一个双稳态的正反馈回路:性别诱导蛋白可以激活VcMID基因,而VcMID基因反过来又可以促使更多性别诱导蛋白的产生。”

野生型和性别转换后的强壮团藻。图示分别为野生型雄性(左上)、野生型雌性(右上)、伪雌性(左下)和伪雄性(右下)的颜色反差图。图片来源:Geng S, DeHoff P, Umen JG (2014) PLoS Bio.

  不过,尽管“变性”的强壮团藻可以产生有功能的配子,但还是出现了外形异常的精子和短寿的卵子。这说明要产生功能健全并健康的配子和合子,还需要接合座位中其它基因的共同作用。乌曼表示:“我们希望能够找出这些其它的基因,以便更好的理解性别分化过程的细节。”

  对藻类性别机制的了解可能为藻类的生物技术应用提供帮助。如果要有效地开发藻类资源大量生产生物燃料、生产高价值化合物,就必须要开发一种选育系统。“就像种植庄稼一样。但很遗憾,对于大部分藻类的两性周期人们还知之甚少。”乌曼说, “我们的研究第一次说明了MID这个保守的调节基因可能在团藻中起到控制性别分化的作用。对于在团藻目以外的有重要生物技术价值的藻类来说,它们的Mid相关蛋白有可能在性别决定中起作用。”(编辑:Calo)

  参考文献:

  Geng S, DeHoff P, Umen JG (2014) Evolution of Sexes from an Ancestral Mating-Type Specification Pathway. PLoS Biol 12(7): e1001904.

  文章题图:news.wustl.edu
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