棘腹蛙性染色体分化与性别决定格局

The transitions from ancestral ESD to GSD were from the absence of sex chromosomes to the emergence of sex chromosomes, which have never disappeared and constitute an evolutionary trap. The ‘‘random sex determination’’ hypothesis advocates that sex determination is that ESD and GSD are just the two ends of a continuum. However, this view is not enough to be evidenced, especially when the group with the heteromorphic sex-chromosome is the comparitive reference. In this study, we assess whether GSD or ESD exsists at population, even family level, by a case study on the frog Quasipaa boulengeri (Anura, Dicroglossidae), which involving homomorphic or heteromorphic sex-chromosome in the species. First, we try to estimate the amount of genetic differentiation between sexes and identify patterns of heterogamety with the sex linked microsatellite loci from the sex chromosome through isolating sex chromosome in the light microscope then sequencing. Second, we will try to detect the patterns of sex linkage using the sex linked microsatellite loci as well as SNP loci from RAD-seq sources. Third, we try to phase X and Y haplotypes by employing the SSR loci together with SNP loci. Fourth, we try to estimate the X-Y recombination rate between X and Y chromosomes at population as well as family level to know the reason that causes the suppression between X-Y recombination.

伴随着未分化的同形性染色体到高度分化的异形性染色体，性别决定的方式从ESD到GSD，落入了进化的陷阱而不再逆转。随机性别决定假说认为，性别决定是一个连续变化的体系， ESD和GSD两种性别决定各自代表连续系的两端，中间的则随着发育中环境影响而变化。然而，现有研究所涉类群非常有限。本研究拟选择兼有异形的和同形的性染色体的棘腹蛙为材料，借助于显微切割、WGA全基因组扩增、单染色体测序、FISH定位、RAD-seq等系列前沿技术，特别运用STRUCTURE雌雄差异估算等多重分析方法，重点：（1）检测异形的与同形的性染色体种群间两性分化程度是否不同；（2）检测性别连锁程度是否变化；（3）检测种群间Y单倍型的比例是否存在变化；（4）检测引起种群间X与Y重组抑制的原因是否不同。期望通过多侧面的分析，检验是否“随着性染色体分化程度增加，性别决定从ESD到GSD被固定”，对随机性别决定假说进行增补或修订。

伴随着未分化的同形性染色体到高度分化的异形性染色体，性别决定的方式从ESD到GSD，落入了进化的陷阱而不再逆转。随机性别决定假说认为，性别决定是一个连续变化的体系， ESD和GSD两种性别决定各自代表连续系的两端，连续体系中间的则随着发育中环境影响而变化。然而，现有研究所涉类群仅局限于欧洲林蛙1个物种。本研究选择兼有异形的和同形的性染色体的广布物种棘腹蛙多个种群为材料进行假说检验。借助于染色体显微切割、WGA扩增及测序，获得了棘腹蛙No.1染色体基因组。通过性别位点比对，证实No.1染色体即棘腹蛙的性染色体对。基于GBS、RNAseq等一系列基因组测序，通过性别偏好的生物信息分析，西部种群中获得雄性偏好SSR性别位点6个、涵盖东、南、西、北各分布区的5个种群SNP性别位点依次为833、212、550、518、123个。基于SSR和SNP双重性别标记进行的 “种群两性分化结构”、“遗传和表型性别的吻合度”、“ Y单倍型的比例” 等多侧面分析，在棘腹蛙物种中，异形与同形性染色体种群均表现XY型GSD遗传决定，性别决定基本不受ESD环境影响，“随机性别决定”假说不能得到求证。进一步研究发现，棘腹蛙西部种群中X染色体发生了易位重排，故在西部种群的雌、雄两性个体同时存在正常的Xn和重排Xr染色体两种形态。这些X与Y染色体间的重组抑制在进化上独立于易位重排，同时X染色体重排也加速了性染色体的分化。 5个种群的性别决定SNP位点均比对标定在棘腹蛙No.1染色体基因组，表明5个种群间不存在性染色体对间的转换。5个种群进行对比分析，确定5个种群的性别决定区域存在共享区，但各自区域的大小各不相同，表明棘腹蛙5个受检种群的性别决定区域已发生了移动或转换，在种下精细尺度上求证了性染色体快速转换（turnover）假说。研究为解读性染色体进化机制提供了新的案例，具有重要的学术价值。