混乱程度毁三观的动物:最爱与兄弟姐妹交配、雄性只是交配工具……

就是它们!毁三观的线虫Mesorhabditis belari

图片来源:Marie DELATTRE/LBMC/CNRS Photo library

在自然界,除了最为常见的交配方式,孤雌生殖的例子我们也见过不少。但下文这种线虫的交配方式,绝对颠覆你的认知。

今日,国际学术期刊《科学》(Science)报道了一种中杆属线虫(Mesorhabditis belari)独特的生殖方式:大部分情况下,雌性个体利用雄性的精子激活卵细胞,但并不使用精子的DNA,而是孤雌生殖、生下雌性后代。但在极少数情况下,它们也会生下部分雄性,让它们为女儿们提供可激活卵细胞的精子。利用这种生殖方式,它们保证了雌性基因池的绝对“纯净”。

撰文 | 李晓慧

该论文通讯作者,法国里昂大学生物学家Marie Delattre在接受《环球科学》采访时表示,“一般的孤雌繁殖,雌性不会花力气去生育雄性,这看上去是一个比较‘聪明’的策略。但是我们研究的这种线虫,它们自己生育雄性,利用精子却不使用其中的DNA,这有些不同寻常。”这种罕见的生殖策略,对这一物种的意义是什么?

特殊的孤雌繁殖

对于人类来说,生命是一支双人舞蹈,男与女是繁育后代的最佳拍档。男性的精子与女性的卵细胞合二为一,将各自的遗传物质传递给下一代。

但在动物界,孤雌生殖的例子有很多,生殖策略也各不相同。比如在北美洲东北部有一种雌性蝾螈,它们不需要雄性就能够繁殖,而且只生育雌性后代。它们的策略是:雌性蝾螈从其他种类的雄性蝾螈的精液中“偷取”DNA,但并不是用来让自己的卵细胞受精,而是直接将其纳入自己的基因组。据科学家估计,这种孤雌生殖的蝾螈从600万年前就已存在,并一直演化至今。看起来,这种繁衍方式确实有其优势所在。

在美国西部,有几种鞭尾蜥蜴也没有雄性,为了繁衍后代,雌蜥蜴会骑上另外一只雌蜥蜴,模仿雄蜥蜴交配时的动作,科学家认为,这是在刺激被骑的雌性产卵,后者不需要精子让卵细胞受精,卵细胞会自行分裂,形成胚胎。这些蜥蜴生下的宝宝只有雌性,而且与母亲一模一样。

新墨西哥鞭尾蜥只有雌性个体,这种模仿雄性交配的行为,能刺激被骑的雌性产卵。

而在今日的Science中,Delattre等人首次描述了一种线虫独特的生殖策略,它们在大部分情况下,利用雄性的精子“激活”卵细胞,“扔下”精子中的DNA,生下女儿,从遗传角度来看,这种情况下雄性是无用的。其实它们大可以找其它种类的线虫完成这一孤雌繁殖过程,但是它们却没有这么做,在不到10%的情况下,它们还要使用精子中的DNA,生下雄性后代,从研究人员基因测序结果来看,这些雄性后代除了Y染色体外,其它染色体与它们的母亲和姐妹非常相似。这些雄性后代将与它们的姐妹们交配,继续作为姐妹们卵细胞的“激活器”。如此周而复始,雌性线虫保持着其基因池完全的“纯净”。

上图:左侧为两性融合的胚胎,右侧为孤雌胚胎

下图分别为两类胚胎的染色体

为什么只生下9%的儿子?

在实验室条件下,研究人员发现雌性线虫在一生中,生育的儿子占所有后代的比例约为9%。这个数字对于线虫种群来说,有什么重要意义呢?“我们想了解,如此低比例的雄性,对整个种群来说是否为最优的选择。”研究人员表示。

为了回答这个问题,研究人员设计了一项试验,他们将20只雌性线虫与不同数量的雄性线虫置于一处令其交配,然后计算它们在繁殖期间生育的后代数量。研究发现,当20只雌性线虫与1只雄性线虫在一起时,平均生育了490只后代;当雄性线虫的数量达到2只的时候,生育后代的数量上升到800只。但是,之后再增加雄性线虫的数量并不会增加雌性线虫繁育后代的规模。

这样的结果表明,即使雄性线虫数量增加,单只雌性线虫繁育的胚胎数量平均也不会超过40个。另外也表明,在有20只雌性线虫的情况下,2只雄性线虫就足以获得最大规模的后代数量。基于模拟计算,最终,研究人员得出结论,大概只需要约9%的雄性后代,就可以保证整个族群规模的最优化,卵细胞可以被充分地利用。

爸爸的DNA只能给儿子

在研究中,Delattre等人通过试验发现,这种雌性线虫会发育两种类型的胚胎,一种由孤雌发育而来,另外一种是两性融合发育而成。在试验中,研究人员发现,65个孤雌发育的胚胎全部发育为雌性后代,而15个两性融合发育的胚胎后代全部为雄性。

基因测序表明,雌性后代的DNA与母亲一致,而雄性后代的DNA来自于父亲和母亲。“这表明,这种线虫的雌性个体纯粹是由雌核发育而来,两性融合只能生育雄性后代。”研究人员表示。“而且,我们的研究结果也显示,雄性DNA永远不会遗传给雌性。”

孤雌繁殖的胚胎

既然雌核发育就能够正常地繁衍生息,为什么这些线虫还要花费精力生下儿子们呢?生儿子对妈妈们来说有何益处?研究人员认为,目前来看,生下雄性并不会增加雌性基因的多样性,但是如果儿子们更倾向于与女儿们交配,那么生儿子就有了意义。

偏爱兄弟姐妹间交配繁殖

为了验证这种雄性线虫是否更倾向于与它的姐妹们交配,研究人员开展试验,观察来自同一个母亲的雄性是否更偏爱与其姐妹交配,并考察来自不同母亲的雌性和雄性的交配繁育情况。

他们将5只雌性线虫与2只同母雄性线虫置于一处进行交配,之后,又让5只雌性线虫与2只非同母雄性线虫进行交配。研究人员发现在150次兄弟姐妹间的交配中,有117次成功;而非兄弟姐妹间的交配,150次交配中只有73次成功。兄弟姐妹间的成功交配显著高于非兄弟姐妹间的交配。

这样的结果,与研究人员此前的假设基本一致,这些线虫确实更倾向于兄弟姐妹间的交配与繁殖,这也就基本解释了,为什么雌性线虫愿意付出精力来繁育雄性后代。“我们认为,雌性生育少量儿子的原因是,这样它们就不需要与其它雌性竞争雄性了。”Delattre说。

那么这对于雄性线虫来说有什么意义呢?Delattre表示,从遗传角度来看,除了Y染色体之外,雄性的基因与它们的母亲和姐妹都非常相似,所以我们目前倾向于认为,雄性线虫可能只是雌性线虫的延伸。

参考链接:

http://science.sciencemag.org/content/363/6432/1210

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1046/j.1420-9101.1998.11060755.x

https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2018/10/22/449710.full.pdf

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