女性和男性在许多方面不同,但他们共享相同的基因组。唯一的例外是男性的Y染色体。乌普萨拉大学的一项新研究以甲虫为研究系统,现已发表在自然生态与进化研究表明,尽管Y染色体包含的基因很少,但它可以极大地改变男性的体型,从而促进性别差异的进化。
雌性和雄性在形态、生理和行为上有很多不同。这种被称为两性二态性的性别差异是如何进化的是一个谜,因为女性和男性拥有相同的一组基因,一种性别的进化变化甚至会导致另一种性别的相关变化,从而阻止性别差异的进化。这项新研究表明,即使两性之间的基因差异很小,也可以促进两性二态性的进化,这样它就可以在几代内进化。
“我们的实验表明,常染色体以及性染色体X和Y都可以携带对两性二态性很重要的遗传变异,但Y染色体单独可以改变多达30%的大小性别差异。”这是很了不起的,因为在这些甲虫中,Y染色体只包含少数基因,只占基因组的很小一部分,就像人类一样。许多人认为Y染色体只影响男性最重要的生殖过程,即精子的产生。我们的研究结果表明,Y染色体的作用可能比以前认为的要广泛,”乌普萨拉大学生态与遗传学系的博士生、该研究的第一作者菲利普·考夫曼说。
然而,两性二态性的进化不仅取决于基因组中遗传变异的位置,还取决于自然选择和性选择如何作用于它。在实验室进化的帮助下,研究小组表明,当选择雄性体型时,两性体型二态性可以进化,但当选择只作用于雌性时,基因组的共享部分在雄性中引起了相关的进化反应,阻止了二态性的进化。
“两性二态性发生了最剧烈的变化,仅在十代内就增加了50%,这发生在我们采用性别对抗选择的时候——在两性中偏爱相反的体型。”这表明,在正确的选择下,性别差异可以明显地迅速进化,也许比以前认为的更容易,”乌普萨拉大学生态与遗传学系助理教授、该研究的主要研究者Elina Immonen说。
“将哪种遗传变异的信息与不同形式的选择结合起来,是测试性别差异进化决定因素的有力方法。”通过将Y染色体变异的影响从基因组的其余部分分离出来,我们可以直接证明Y染色体的影响有多大,这是我们在开始这项工作时没有预料到的,这有助于理解性别二态性是如何在这个物种中进化的。未来的工作将告诉我们更多关于Y染色体如何对雄性产生如此大的影响,以及它在不同分类群性别差异的进化中有多普遍的作用,”Immonen总结道。
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在他们的研究中,研究人员通过创建一个超过8000只甲虫的大谱系(Callosobruchus maculatus种子甲虫)来表征雄性和雌性体型的遗传结构。这个多代家谱被用来量化常染色体和性染色体在体型上的遗传变异。人工选择的使用允许测试不同形式的选择如何影响大小二态性的进化,包括只作用于雄性的选择,只作用于雌性的选择,或者在两性中作用于性对抗(相反的方向)。经过10代的选择,比较了选择系与祖先家系群体的性别大小二态性。这两个实验清楚地表明,Y染色体在决定雄性对选择的反应中起着重要作用。为了进一步测试与Y相关的变异与基因组其他部分的变异分离的影响,研究小组进行了第三次实验。他们通过将不同的Y染色体引入基因相同的背景中,分离出Y染色体对这些甲虫性别大小二态性的影响。换句话说,就是创造出除了Y染色体以外彼此是同卵双胞胎的甲虫。
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