UMD領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，使自身受精的蠕蟲失去了四分之一的基因組，包括使精子具有競爭力的基因。大多數(shù)動物物種的繁殖需要兩個人之間的繁殖。但是一些蠕蟲已經(jīng)進(jìn)化出了獨自運作的能力。在這些物種中，一個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爭優(yōu)勢的基因。

“我們的結(jié)果表明，即使在性系統(tǒng)發(fā)生變化時，數(shù)千萬年必不可少的基因也會突然變得無用或負(fù)債，”UMD生物學(xué)教授，該研究的首席研究員Eric Haag說。發(fā)表在2018年1月5日的“科學(xué)”雜志上。

一百萬年前，一種名為Caenorhabditis briggsae的微小蠕蟲通過自交進(jìn)化而來。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C. briggsae的最近親屬Caenorhabditis nigoni的基因組進(jìn)行了測序。。C. nigoni總是通過與其他個體交配或異交來繁殖。通過比較這兩個物種的基因組，研究人員發(fā)現(xiàn)自交C. briggsae蠕蟲的基因比C. nigoni少7000個。隨著時間的推移，C。briggsae失去了大約四分之一的基因組。

因為兩種蠕蟲的主要區(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。為了證實這一點，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沒有。事實上，沒有已知的自交型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mss基因。結(jié)果，來自缺乏mss基因編碼的蛋白質(zhì)的雄性C. remanei蠕蟲的精子不能與來自野生型C. remanei雄性的精子競爭。相反，當(dāng)研究人員將mss基因插入雄性C. briggsae蠕蟲時，它們的精子勝過野生型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基因使雄性蠕蟲的精子在交配期間具有競爭優(yōu)勢。

“事實上，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非常有用，對于不再發(fā)生性行為的蠕蟲是有害的，”Haag說。“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的說法，蠕蟲的自交物種可能已經(jīng)失去了mss基因，因為有競爭性的男性精子是有害的。在研究期間，研究人員發(fā)現(xiàn)，擁有更具競爭力的男性精子會改變物種的性別比例，從而增加男性的生產(chǎn)。這種轉(zhuǎn)變可能會使蠕蟲的生存面臨風(fēng)險，因為過多的雄性會減緩人口增長，而在野外，蠕蟲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法，確認(rèn)競爭性雄性精子可能對C. briggsae造成傷害的實驗正在進(jìn)行中。

“我們已經(jīng)開始比較有和沒有mss基因的C. briggsae種群的生長，這使我們能夠通過選擇來測試mss基因是否可能已被驅(qū)逐出C. briggsae的基因組，”Yin說。“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，Haag和他的合作者還計劃調(diào)查mss基因如何幫助精子競爭。他們還希望篩選剩下的7,000個丟失的基因，以發(fā)現(xiàn)它們在C. briggsae中的作用。

施瓦茨說：“一個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期的角色，這些角色可以追溯到7億年前的動物生命的開始。”

研究論文“自生育線蟲中的快速基因組縮減揭示了精子競爭蛋白”，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。