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。
“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度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