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有些昆虫,只有“女儿”才有爸爸

有些昆虫,只有“女儿”才有爸爸

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不管是哪种机制,肯定都是出于昆虫对环境的一种适应,这样它们才会使自己的物种更丰富,才会更容易生存下来


邹媛 · 中山大学生态学院副教授

格致论道·湾区第16期 | 2022年3月30日 广州


大家下午好,我是邹媛,来自中山大学生态学院。我主要从事昆虫生殖发育方面的遗传学研究。


在演讲开始之前,我想问大家一个小问题,大家有没有思考过:为什么自己是男性或者女性吗?


我们人类有男性和女性之分,在动物界当中,哺乳动物、鸟类或者一些小小的昆虫,甚至植物也都有雌雄性之分。为什么呢?这是因为大多数生物都是通过有性生殖来繁育后代的。


有性生殖是指两种不同的性别,雌性产生卵子,雄性产生精子,卵子跟精子相结合为受精卵,一个受精卵就能够发育成为一个成体。大家都是由一个受精卵发育而来的,但为什么我们最后能够获得不同的性别呢?


不同动物的不同性别决定方式

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自古以来,人类对这个问题都非常感兴趣,最早的研究可以追溯到大约公元前300多年的亚里士多德时期。


亚里士多德(Aristotle,公元前384~前322)

《论动物的繁殖》(公元前335)


在著作《论动物的繁殖》当中,亚里士多德对动物的性别决定方式有过自己的阐述,他认为动物的性别是由雄性精液的温度所决定的:在雌性跟雄性的交配的过程中,如果雄性精液的温度高,那么将生出雄性,如果温度较低,生出来的是雌性。


虽然当时生物学不是特别发达,人们的认知也比较有限,但这种温度决定性别的观点,科学家证实确实在某些动物中存在。比如爬行动物,包括一些乌龟、海龟、蜥蜴、鳄鱼等。


这些动物都是卵生生物。雌性跟雄性交配过后,将卵产在体外,卵在环境当中孵化生成后代。那么在卵的孵化过程当中,环境的温度就能够对幼体的性别产生影响。


Lockley et al., 2021


这张图显示的就是温度跟性别决定的关系,横坐标中蓝色表示相对较低的温度,红色表示相对较高的温度。例如第一张图是海龟的性别情况,如果在低温环境下,所有海龟蛋孵出来的都是雄性,而高温环境下孵出来的都是雌性。


到19世纪末20世纪初时,现代生物学有了飞速的发展。特别是在性染色体被发现以后,我们对动物以及我们自己的性别决定方式有了较为清晰的认识。


 https://www.pngsucai.com/


我们都知道,妈妈的性染色体是XX型,是两条相同的X性染色体;爸爸的性染色体是XY型,是两条不同的X和Y性染色体。妈妈只能产生一种性染色体的卵子跟爸爸的精子结合。如果是跟含有X性染色体的精子相结合的话,他们将会有一个女儿;如果是跟含有Y性染色体的精子相结合的话,他们的宝宝将会是儿子。所有的哺乳动物都是这种“XX/XY型”的性别决定方式。


后来,科学家们对不同动物的性别决定方式也进行了研究,又发现了跟哺乳动物完全相反的一种性别决定方式,将其命名为“ZZ/ZW型”。在这种方式里,妈妈是两条不同的Z和W性染色体,而爸爸是两条相同的Z性染色体。


https://learn.genetics.utah.edu/(左)

https://www.pngsucai.com/(右)


这一类型的性别决定方式主要在鸟类中,无论是天上飞的鸟类比如鹦鹉,还是我们经常吃的鸭子、鸡,它们也都有着“ZZ/ZW型”的性别决定系统。


这些昆虫中,只有女儿才有父亲

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我主要研究昆虫的性别决定方式。昆虫是数量非常庞大、物种非常丰富的一个类群,目前大约已经发现了上百万种。相比刚刚提到的鸟类,当前发现的物种数量大概是9000多。那么昆虫的性别决定方式是什么呢?这是我比较感兴趣的问题。


在昆虫中,我们也发现了前面介绍的几种性别决定方式。


星天牛(上左) 伊蚊(上右)

眼斑拟花萤(下左) 红头芜菁(下右)

图片来自陈华燕


比如哺乳动物中的“XX/XY型”,其实在昆虫的鞘翅目中也有发现。鞘翅目的昆虫有坚硬的外壳,所以也被叫做甲虫。另外,经常叮咬我们的蚊子,家里飞的果蝇,它们也是“XX/XY型”。


枯叶蛾(左) 阿格斯蝴蝶(右)

图片来自陈华燕和百科


我们也发现鳞翅目昆虫的性别决定方式跟鸟类相同,是“ZZ/ZW型”。那么鳞翅目昆虫包括哪些呢?比如漂亮的蝴蝶,还有颜色比较暗淡的蛾子。


除此之外,在昆虫中我们还发现了两类非常特殊的性别决定方式。


父本基因组消除型

Blackmon et al., 2017


第一种是“父本基因组消除型”,这一类昆虫是没有性染色体的。图片中n表示成体的染色体倍数,两个n表示二倍体,一个n表示单倍体。


这类昆虫非常有趣:雌性跟雄性交配后,正常情况下会产生二倍体,受精卵将发育为雌性;但如果“爸爸”提供的精子以某种形式不活跃了或者丢失了,这时受精卵就是单倍体,其中有效的染色体主要来自“妈妈”的基因,最终将发育为雄性。


介壳虫(左) 蕈蚊(右)

图片来自 WordPress, Robert Webster, Gilles San Martin 2017


拥有这种性别决定方式的类群属于比较低等的昆虫,比如介壳虫,它们身体小小的,会起白色蜡粉,通常生长在果树的枝桠上。


单双倍体性别决定

Blackmon et al., 2017


另外一类是“单双倍体性别决定”,跟“父本基因组消除型”有相似之处。在这个类群当中,也是雌性二倍体、雄性单倍体的模式。雌性跟雄性交配过后,产生的受精卵发育为雌性;但“妈妈”也可以选择不交配,单凭自己产生单倍体卵子,卵子直接发育为雄性。 


蜜蜂(左) 蚂蚁(右)

图片来自陈华燕


这个类群比较常见,比如花园里飞舞的蜜蜂、地上爬的蚂蚁,还包括下文会讲到的寄生蜂。


寄生蜂的单双倍体性别决定机制


在这张寄生蜂的性别决定图中,红色的两条染色体代表“妈妈”的染色体,绿色的一条染色体代表“爸爸”的染色体。在不交配的情况下,“妈妈”产生具有一条红色染色体的卵,这个卵可以直接发育为雄性,成为“儿子”;如果“妈妈”跟“爸爸”交配以后,“爸爸”的绿色染色体跟“妈妈”红色染色体相结合,这种受精卵会发育为雌性的,也就能生出“女儿”。


这就导致在这类昆虫中,“女儿”是有“父亲”的,而“儿子”是没有“父亲”的。


通常,我们可以看雌雄是否交配和它们交配后最终产生后代的性别比例,来研究它们是否属于单双倍体性别决定机制。此外,我们还想研究这种单双倍体性别决定方式背后的分子机制。对于这类研究,我们通常关注的是“爸爸”的染色体,关注“爸爸”到底提供了什么样的遗传物质。


寄生蜂:昆虫界的“大魔王”

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接下来,我给大家介绍一下我的主要研究对象——寄生蜂。


为什么叫寄生蜂呢?因为它是一种寄生在其他生物上的蜂,它们会将自己的卵产在寄主的体表或者体内,用寄主的身体完成自己的生命周期。


Danneelset al., 2010


上面这只寄生蜂叫蝇蛹金小蜂,它正在将自己的卵产在丽蝇的蛹中。丽蝇在生活中比较常见,比如家里的生肉要是忘记放冰箱了,有可能发臭,就会有那种身上带着金属光泽的苍蝇嗡嗡地去叮咬它,并且会产卵。卵孵化过后是幼虫,然后就变成了蛹,这样就给寄生蜂的卵提供了生存环境。


可能有人会问,为什么我要选择研究这个物种呢?这与我个人的科研经历有关。我在念博士的时候,去到了荷兰格罗宁根大学,参与的课题组正在对蝇蛹金小蜂进行各种生物学研究。蝇蛹金小蜂是寄生蜂里的模式生物,就像果蝇是昆虫学研究的模式生物一样,我们对寄生蜂的生物学研究大多都是从蝇蛹金小蜂开始的,从此我便一直跟这些寄生蜂打交道了。


烟蚜茧蜂寄生蚜虫


除了蝇蛹金小蜂以外,自然界还存在着多种多样的寄生蜂。比如这张图是烟蚜茧蜂寄生蚜虫的场景,一只雌性的蚜茧蜂正在将自己的卵产在蚜虫身上。


夜蛾黑卵蜂寄生斜纹夜蛾卵


上面这张图中白色的圆球是斜纹夜蛾的卵,斜纹夜蛾是一种非常讨厌的农业害虫,这只夜蛾黑卵蜂正在将它的卵产在斜纹夜蛾的卵中。


垂叶榕金小蜂交配,有翅为雌性


在这张图片中,两只垂叶榕金小蜂正在交配,有翅膀的是雌性,没有翅膀的是雄性,它们主要是寄居在榕树的榕果里边。


跳小蜂寄生粉蚧


这张图片呈现的是跳小蜂,它正在将自己的卵产在粉蚧当中。它的性别决定方式是父本基因组消除型,也就是“爸爸”不作为,最后产生雄性的代表。


正是由于寄生蜂有这些特性,它们能不能为我们人类所用呢?假设它寄生的虫子恰好对我们人类有害,危害我们的生活生产,这样我们就可以应用这些寄生蜂,让它去消灭害虫。


 图片来自 NC State University


例如在牧场里,丽蝇的成虫会将自己的卵产在动物的伤口上,它们的幼虫就会啃食这些伤口,最后导致动物伤口发炎、感染,严重的时候甚至会死亡。如果将蝇蛹金小蜂引入到牧场中,蝇蛹金小蜂就会将自己的卵产在丽蝇的蛹里边,就可以达到消灭丽蝇种群的目的。



我前期的工作就是以蝇蛹金小蜂为研究对象,对它的性别决定机制进行研究。前面提到,蝇蛹金小蜂具有单双倍体性别决定的特性,是由“父亲”决定“女儿”的发育,所以关注“爸爸”的染色体是最容易的一种入手方式。


我们在“爸爸”的染色体上找到了一个基因,而那个基因正是打开“女儿”生长发育的钥匙。我们在生产中通过一些生物学手段,就可以使寄生蜂产生尽可能多的雌性,达到这种以虫治虫的作用。


最后,可能有朋友会问,你讲了昆虫当中有X/Y型、Z/W型、父本基因组消除型,还有单双倍体性别决定等,为什么昆虫的性别决定方式如此多样呢?


其实目前科学家们也没有一个统一的说法,一些科学家觉得,这可能是由于昆虫本身遗传物质的特异性,比如说不稳定,比如说它们会存在遗传物质的冲突,最终导致了新的机制的产生。


对我个人而言,不管是哪种机制,肯定都是出于昆虫对环境的一种适应,这样它们才会使自己的物种更丰富,才会更容易生存下来。至于从进化的角度来说,是什么力量推动这种新的方式产生,还需要我们更多的研究。


谢谢大家!


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