为了自交,一种线虫丢失7000个基因

2018-01-09 绿谷生物 Science
浏览

 大多数动物物种的繁殖需要一个雌性动物和一个雄性动物之间的交配。但是一些线虫已发进化出了自体受精(selfing, 即自交)的能力。在这些物种中,单个个体能够自体受精并繁殖后代。在一项新的研究中,来自美国马里兰大学、康奈尔大学、加州大学和加拿大多伦多大学的研究人员发现获得自体受精的能力可能导致一种线虫丢失它的四分之一的基因组,包括让雄性精子在交配时具有竞争优势的基因。相关研究结果发表在2018年1月5日的Science期刊上,论文标题为“Rapid genome shrinkage in a self-fertile nematode reveals sperm competition proteins”。

图片来源:UC San Diego。
 

一百万年前,一种被称作Caenorhabditis briggsae的小型线虫进化出通过自体受精进行繁殖的能力。因此,大多数C. briggsae是雌雄同体,同时具有雄性器官和雌性器官。马里兰大学生物学教授Eric Haag及其研究团队专门研究性别进化,长期以来一直在研究C. briggsae,因为它们具有不寻常的繁殖行为。

为了研究自体受精如何影响C. briggsae进化,康奈尔大学分子生物学遗传学助理教授Erich Schwarz对与C. briggsae亲缘关系最为接近的Caenorhabditis nigoni进行基因组测序。通过比较这两个线虫物种的基因组,这些研究人员发现自体受精的C. briggsae要比C. nigoni少7000个基因。随着时间的推移,C. briggsae失去了它的大约四分之一的基因组。

鉴于这两种线虫主要在繁殖方式上存在差异,这些研究人员猜测从异型杂交(outcrossing,即异交)到自体受精的转换导致了基因丧失。为了证实这一点,他们比较了雄性C. nigoni和雌性C. nigoni中的基因活性,并发现C. briggsae丢失的将近四分之三的基因在雄性C. nigoni中的活性要比雌性C. nigoni中的强。

为了寻找这些丢失的基因中可能存在的与性相关的功能,这些研究人员着重关注一个被称作mss(male secreted short)的基因家族,该基因家族存在于C. nigoni中,但不存在于C. briggsae中。事实上,没有已知的自体受精的隐杆线虫属(Caenorhabditis)物种具有mss基因。根据Haag、Schwarz、前马里兰大学研究生Cristel Thomas和前马里兰大学本科生Rebecca Felde之前开展的研究,mss基因仅在异型杂交的雄性线虫物种中有活性。

这些研究人员利用一种被称作CRISPR的基因编辑工具移除异型杂交线虫物种Caenorhabditis remanei中的4个mss基因。结果,来自缺乏这些mss基因的雄性C. remanei的精子竞争不过来自具有这些mss基因的野生型雄性C. remanei的精子。相反地,当他们将mss基因插入到雄性C. briggsae中时,它们的精子在与来自野生型雄性C. briggsae和野生型C. briggsae雌雄同体的精子的竞争中胜出。

这些研究人员还发现,这些mss基因编码包被着精子细胞表面的短蛋白。总之,这些结果表明,这些mss基因让雄性线虫的精子在交配期间具有竞争优势。

Haag说,“所有的自交物种都失去了mss基因的事实提示着这些对异型杂交的线虫非常有用的基因对不再进行异型杂交的线虫是有害的。我们所看到的是一种物种在进化过程中如何微调它的繁殖行为。”

根据Haag的说法,这种自体受精的线虫物种可能已经失去了这些mss基因,这是因为有竞争力的雄性精子是有害的。在这项研究期间,这些研究人员发现,拥有更强竞争性的雄性精子会使得这种线虫物种的性别比例偏向于产生更多的雄性线虫。这种变化可能使这些线虫的生存处于危险之中,这是因为太多的雄性线虫会减缓线虫群体的增长,而且在野外,这些线虫为了生存必须尽快地繁殖。

根据论文第一作者、Haag团队的生物科学研究生Da Yin的说法,证实具有竞争优势的雄性精子可能对C. briggsae有害的实验正在进行当中。

Yin说,“我们已开始比较具有mss基因和不具有mss基因的C. briggsae群体的增长,这允许我们能够通过筛选来测试mss基因是否可能已从C. briggsae的基因组中清除。我们的猜测是,具有mss基因的C. briggsae群体会因为具有更多的雄性而增长得较慢。”

展望未来,Haag和他的合作者也计划研究mss基因如何让精子产生竞争优势。他们也想筛选剩余的7000个丢失的基因,以便发现它们在C. briggsae中的作用。

参考资料:

Da Yin, Erich M. Schwarz, Cristel G. Thomas et al. Rapid genome shrinkage in a self-fertile nematode reveals sperm competition proteins. Science, 05 Jan 2018, 359(6371): 55-61, doi:10.1126/science.aao0827