我院吴华教授团队揭示了两栖动物性二态形成的分子机制

来源:作者:发稿时间:2019-12-05浏览次数:

 生科院吴华教授团队在两栖动物性二态分子机制方面取得重要研究进展,成功破译了我国特有物种雷山髭蟾(Leptobrachium leishanense)的基因组,并深度解析了雷山髭蟾性二态形成的分子机制,研究成果以“Genomic and transcriptomic insights into molecular basis of sexually dimorphic nuptial spines in Leptobrachium leishanense”(基于基因组学和转录组学方法揭示雷山髭蟾角质刺性二态的分子基础)为题,近日发表在国际学术期刊Nature Communications (《自然 · 通讯》)上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13531-5

 性二态是指同种两性个体通过性选择在大小、形态和色型上所产生的差异,如公孔雀与母孔雀在羽毛颜色方面的差异。性二态在自然界中普遍存在,且一直是进化生物学家关注的热点问题。达尔文在《人类的由来及性选择》一书中对动物界的性二态特征进行了较为全面的阐述,并提出这些与繁殖、求偶展示或配偶竞争等行为相关的性状是在性选择作用的驱动下进化而来的。两栖动物具有丰富的性二态特征,其中我国特有的髭蟾类物种具有独特的角质刺”性二态:在繁殖期,雄性个体上颌部长出坚硬的黑刺,类似于人类的“胡子”,因此又被称为“胡子蟾”;繁殖期过后,角质刺会脱落。这种角质刺特征与髭蟾类物种特殊的繁殖行为紧密相关。髭蟾属于爆发式繁殖,在繁殖期雄性个体需要提前占巢吸引雌性,坚硬的角质刺可以作为个体竞争繁殖巢穴时打斗的武器。髭蟾类物种还具有雄性护卵行为,上颌部的角质刺也可用于清理巢穴以及驱逐捕食者。可见,角质刺在髭蟾的繁殖行为中具有重要作用,但关于其形成机制的研究极其有限,其背后的分子机制仍难以捉摸,这主要由于两栖动物基因组资源及调控性状发育的遗传网络相关知识的匮乏。

 为了探究髭蟾角质刺性二态形成的分子机制,吴华教授团队选择雷山髭蟾为研究对象,首先利用三代测序(PacBio)超长读长的优势结合高通量染色体构象捕获技术(Hi-C),克服了两栖动物较大且高水平重复序列的难点,成功组装获得了雷山髭蟾基因组序列(基因组大小为3.54Gb,contig N50长度为1.93Mb;图1),这为后续角质刺形成分子机制的研究提供了高质量的参考基因组。其次,通过与近缘物种的比较基因组分析发现,雷山髭蟾基因组中角蛋白基因家族发生了显著的扩张现象,与人类毛发角蛋白同源的角蛋白基因发生了串联复制,并在进化过程中获得了角质刺特异性的时空表达模式,这暗示毛发角蛋白基因的复制与角质刺的形成密切相关。最后,通过对雌雄个体不同发育时期的有参转录组分析鉴定了一系列与角质刺发育相关的生物学通路和关键基因(图2),发现:在长刺前期, Wnt通路被激活,参与角质刺的形态建成;在长刺阶段,雄激素合成通路、上皮细胞分化等生物学过程显著富集,且角蛋白基因krt、黑色素合成相关的络氨酸酶基因tyr以及转录因子hoxc13等参与形成角质刺结构;而刺脱落阶段,蛋白水解过程参与其中。

 该研究通过结合全基因组和转录组测序技术,充分展示了组学方法在解析非模式物种创新性性状背后的分子机制研究中发挥的重要作用。研究成果首次较全面地解析了两栖动物性二态形成相关的重要生物学通路以及关键基因,弥补了相关研究的不足。而且,本研究发现的角质刺形成相关基因与人类毛发颜色及形状变异相关基因高度同源,角质刺的形成与反刍动物角”的形成具有类似的角蛋白基因表达模式。因此,本研究对于深入理解脊椎动物性二态形成及调控的分子机制也具有非常重要的意义。

 生科院李军博士为论文的第一作者,吴华教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国生态与环境部生物多样性调查、监测和评估等项目的支持。

 


1. 雷山髭蟾基因组结构解析

I为13条染色体; II为基因密度(每200 Kb窗口中基因的百分比); III为重复序列分布;IV为GC含量。

中间为一只雄性雷山髭蟾个体,白色箭头表示角质刺性二态特征,角质刺呈对称分布,一边两个

2. 雷山髭蟾角质刺形成相关通路及关键基因的鉴定

左图为共表达基因模块与性状的相关性。其中ME03和ME05模块分别与雄性长刺前期和长刺时期显著相关;

右图为ME03ME05两个模块鉴定到的Wnt通路(右上)和关键基因表达网络(右下)

  (编辑:池煜瑶)