閃光信號在螢火蟲物種形成過程中的作用和機制

《閃光信號在螢火蟲物種形成過程中的作用和機制》是依託武漢大學，由趙華斌擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：閃光信號在螢火蟲物種形成過程中的作用和機制
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：趙華斌
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

性選擇在物種形成過程中具有重要作用，性選擇驅動物種快速分化的遺傳學基礎一直是進化生物學家最感興趣的科學問題之一。本項目的研究對象是一對在中國廣泛分布的螢火蟲近緣姐妹種，其雄性具有不同的閃光信號特徵，雌性偏愛同種雄性的閃光信號。擬用線粒體基因和微衛星為遺傳標記，分析這對螢火蟲姐妹種的種群遺傳差異，判斷不同的閃光信號特徵是否在種群中快速固定、種群間的基因流是否受到限制，進而闡釋是性選擇還是其他因素推動了螢火蟲的雄性閃光信號的分化。採用RNA-Seq和基因測序技術，比較分析發光和不發光螢火蟲的基因序列差異，篩選出與發光和感光功能相關的關鍵基因，檢測這些關鍵基因在螢火蟲姐妹種不同種群中的基因突變是否已經固定。然後，將胺基酸突變已經固定在種群中的關鍵基因定位到基因網路和調控路徑中，探討性選擇驅動的多基因相互作用和進化機制的一般規律，為性選擇能導致物種形成的理論提供經驗數據的支持。

結題摘要

性選擇在物種形成過程中具有重要作用，性選擇驅動物種快速分化的遺傳學基礎一直是進化生物學家最感興趣的科學問題之一。本項目的研究對象是一對螢火蟲近緣姐妹種，其雄性具有不同的閃光信號特徵，可能是雌性性選擇的信號。我們採集了兩個物種六個種群123個個體，錄製了雄蟲的閃光信號特徵，測定了的COI和Cytb基因。結果顯示，兩個物種的雄蟲閃光信號確實有顯著差異；兩個線粒體基因的系統進化樹表明，兩個物種無法形成單系群，即閃光信號差異並不能決定螢火蟲的系統發育關係。對兩種螢火蟲進行Two-choice行為學實驗，發現兩種雌蟲對兩種雄蟲的閃光都有回響，但是對兩種雄蟲的不同閃光信號沒有偏好，提示雄蟲閃光信號差異並不是推動這兩個螢火蟲性選擇和物種形成的主要動力。對這兩種螢火蟲發光器的比較轉錄組分析表明，發光器表達的基因序列在兩個物種中的進化比較保守，Ka/Ks的平均值小於0.05，提示兩種螢火蟲發光相關基因並沒有出現顯著分化。因此，這兩種螢火蟲可能不是研究性選擇對物種形成的作用和分子機制的理想研究對象。為了繼續研究性選擇行為差異在物種形成中的作用和遺傳學機制，我們探索了其它已經有行為學實驗證明的具有性選擇行為差異的姊妹種。行為實驗表明，生活在兩個土壤類型的盲鼴鼠種群具有顯著的配偶選擇偏好，提示正在形成生殖隔離，可能已經形成新物種。因此，盲鼴鼠可能是更好的研究對象。為此，我們與以色列海法大學的研究人員合作，對一種分布於同一區域的盲鼴鼠進行了全基因組重測序，揭示了該地下鼠的兩個群體適應不同土壤環境的分子機制。群體基因組學研究表明，兩個群體的分歧時間僅僅為20-40萬年，自然選擇已經驅動了300多個功能基因的強烈分化，而且兩個群體的地下鼠受到自然選擇的基因顯著不同：一個群體中受選擇的基因具有感覺、運動、能量代謝等功能，而另一個群體中受選擇的基因具有營養代謝、神經調控等功能。進一步的群體遺傳學研究表明，嗅覺和味覺受體基因在兩個群體中也具有顯著分化，提示配偶選擇（嗅覺）和棲息地選擇（味覺）促進了兩個群體的強烈分化。研究還發現，兩個動物群體具有顯著不同的蛋白質降解機制。因此，即使沒有地理隔離，哺乳動物也可以快速適應不同的環境並分化出新的物種，也就是同域成種。由於大自然能在同一區域內塑造出很多顯著不同的小生境，類似的物種分化現象應該更普遍。相關論文發表於2015年9月份的《PNAS》。