UMD領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，使自身受精的蠕蟲(chóng)失去了四分之一的基因組，包括使精子具有競(jìng)爭(zhēng)力的基因。大多數(shù)動(dòng)物物種的繁殖需要兩個(gè)人之間的繁殖。但是一些蠕蟲(chóng)已經(jīng)進(jìn)化出了獨(dú)自運(yùn)作的能力。在這些物種中，一個(gè)人可以自己繁殖以產(chǎn)生后代。

馬里蘭大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，獲得這種被稱為“自交”的能力可能導(dǎo)致蠕蟲(chóng)物種失去四分之一的基因組，包括在交配期間使雄性精子具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的基因。

“我們的結(jié)果表明，即使在性系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，數(shù)千萬(wàn)年必不可少的基因也會(huì)突然變得無(wú)用或負(fù)債，”UMD生物學(xué)教授，該研究的首席研究員Eric Haag說(shuō)。發(fā)表在2018年1月5日的“科學(xué)”雜志上。

一百萬(wàn)年前，一種名為Caenorhabditis briggsae的微小蠕蟲(chóng)通過(guò)自交進(jìn)化而來(lái)。因此，大多數(shù)C. briggsae是具有雄性和雌性性器官的雌雄同體。Haag的小組專注于性別的進(jìn)化，因其不尋常的生殖行為而長(zhǎng)期研究C. briggsae。

為了研究自交如何塑造C. briggsae的進(jìn)化，康奈爾大學(xué)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)助理研究教授，該研究的共同作者Erich Schwarz對(duì)C. briggsae的最近親屬Caenorhabditis nigoni的基因組進(jìn)行了測(cè)序。。C. nigoni總是通過(guò)與其他個(gè)體交配或異交來(lái)繁殖。通過(guò)比較這兩個(gè)物種的基因組，研究人員發(fā)現(xiàn)自交C. briggsae蠕蟲(chóng)的基因比C. nigoni少7000個(gè)。隨著時(shí)間的推移，C。briggsae失去了大約四分之一的基因組。

因?yàn)閮煞N蠕蟲(chóng)的主要區(qū)別在于它們的繁殖方法，研究人員假設(shè)從異交到自交的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致基因缺失。為了證實(shí)這一點(diǎn)，他們比較了C. nigoni雄性和雌性中的基因活性，發(fā)現(xiàn)C. briggsae失去的基因中幾乎四分之三在C. nigoni雄性中比雌性更活躍。

為尋找丟失的基因可能的性別相關(guān)功能，研究人員專注于C. nigoni所擁有的“雄性分泌短”(mss)基因家族，但C. briggsae沒(méi)有。事實(shí)上，沒(méi)有已知的自交型Caenorhabditis物種具有mss基因。根據(jù)Haag，Schwarz，前UMD研究生Cristel Thomas(博士，11，分子和細(xì)胞生物學(xué))和前UMD本科生Rebecca Felde的先前研究，mss基因僅在異型物種的雄性蠕蟲(chóng)中活躍。 (BS '13，生物科學(xué))。

研究人員使用一種名為CRISPR的基因編輯工具從異型物種Caenorhabditis remanei中移除了4個(gè)mss基因。結(jié)果，來(lái)自缺乏mss基因編碼的蛋白質(zhì)的雄性C. remanei蠕蟲(chóng)的精子不能與來(lái)自野生型C. remanei雄性的精子競(jìng)爭(zhēng)。相反，當(dāng)研究人員將mss基因插入雄性C. briggsae蠕蟲(chóng)時(shí)，它們的精子勝過(guò)野生型C. briggsae雄性和野生型C. briggsae雌雄同體的精子。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，mss基因可編碼覆蓋精子細(xì)胞表面的短蛋白質(zhì)?？傊?，結(jié)果表明mss基因使雄性蠕蟲(chóng)的精子在交配期間具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

“事實(shí)上，所有自交物種都失去了mss基因，這表明這些基因?qū)τ诰哂心信孕袨榈娜湎x(chóng)非常有用，對(duì)于不再發(fā)生性行為的蠕蟲(chóng)是有害的，”Haag說(shuō)。“我們所看到的是物種如何微調(diào)其繁殖的進(jìn)化快照。”

根據(jù)Haag的說(shuō)法，蠕蟲(chóng)的自交物種可能已經(jīng)失去了mss基因，因?yàn)橛懈?jìng)爭(zhēng)性的男性精子是有害的。在研究期間，研究人員發(fā)現(xiàn)，擁有更具競(jìng)爭(zhēng)力的男性精子會(huì)改變物種的性別比例，從而增加男性的生產(chǎn)。這種轉(zhuǎn)變可能會(huì)使蠕蟲(chóng)的生存面臨風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫^(guò)多的雄性會(huì)減緩人口增長(zhǎng)，而在野外，蠕蟲(chóng)必須盡快繁殖才能生存。

根據(jù)哈格小組的生物科學(xué)研究生和該研究的第一作者大尹的說(shuō)法，確認(rèn)競(jìng)爭(zhēng)性雄性精子可能對(duì)C. briggsae造成傷害的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。

“我們已經(jīng)開(kāi)始比較有和沒(méi)有mss基因的C. briggsae種群的生長(zhǎng)，這使我們能夠通過(guò)選擇來(lái)測(cè)試mss基因是否可能已被驅(qū)逐出C. briggsae的基因組，”Yin說(shuō)。“我們的假設(shè)是，具有mss基因的C. briggsae種群將因其雄性數(shù)量增加而變慢。”

展望未來(lái)，Haag和他的合作者還計(jì)劃調(diào)查mss基因如何幫助精子競(jìng)爭(zhēng)。他們還希望篩選剩下的7,000個(gè)丟失的基因，以發(fā)現(xiàn)它們?cè)贑. briggsae中的作用。

施瓦茨說(shuō)：“一個(gè)非常小但很重要的基因數(shù)量可能在雄性 - 雌性交配中扮演著非常長(zhǎng)期的角色，這些角色可以追溯到7億年前的動(dòng)物生命的開(kāi)始。”

研究論文“自生育線蟲(chóng)中的快速基因組縮減揭示了精子競(jìng)爭(zhēng)蛋白”，Da Yin，Erich Schwarz，Cristel Thomas，Rebecca Felde，Ian Korf，Asher Cutter，Caitlin Schartner，Edward Ralston，Barbara Meyer和Eric Haag，于2018年1月5日發(fā)表在“科學(xué)”雜志上。