鱼类的性别决定和性染色体_常重杰

收稿日期:2001-08-20
《淡水渔业》2002年第32卷第2期
鱼类的性别决定和性染色体
常重杰　杜启艳
(河南师范大学生命科学学院,新乡453002)
全世界现存鱼类约有24618种,分属57目,482科,4258属,是脊椎动物中分布最广,种类最多的类群,具有多种多样的生物学特性和重大的经济价值。

在脊椎动物系统进化中,鱼类处于承先启后的地位,有着长久的进化历史和繁多演化分枝。

鱼类在进化
过程中表现出各种趋同性、趋异性和保守性,变化纷繁,物种进化异常活跃[1]。

鱼类作为较低等的脊椎动物,在性别决定中也有多种表现形式,例如鱼类中有些物种是雌雄同体的,这在其它高等脊椎动物中是没有的。

即在同一个体中同时具有两种性腺,行自体受精。

而另有些物种则是连续性雌雄同体鱼类即一个个体先作为某一性别出现,在其生命周期的某个时刻再转化为另一性别,如黄鳝。

显然在雌雄同体鱼中只有性别的分化,而没有性别的遗传决定机制,然而在大部分鱼类中是存在真正的性别决定遗传机制。

深入研究其性别决定机制,对于水产养殖来说,具有重要的实用价值。

因为许多鱼类雌雄之间的经济性状如生长速度等存在差异,因此通过人为控制性别的方法专门生产全雌或全雄鱼苗,进行单性养殖将可以显著提高其经济效益。

同时,由于鱼类性染色体的进化尚处于早期阶段,广泛的研究其性染色体将有可能勾划出脊椎动物性染色体的演化历程。

经过数十年的艰苦探索,人们提出了多种识别鱼类性决定体系和性染色体的方法。

1　鱼类性别决定系统和性染色体的识别
1.1　通过性连锁性状的遗传研究,判断性决定体系
遗传研究表明在许多物种中,有一些表型性状是与性别联系在一起的。

鱼类中也不例外,并可根据其与性别连锁的关系进而推断其性决定体系。

Gubby (Poe cila reticulata )是一种小型鱼类。

其雄性比较鲜艳,体色有多种不同形式,而雌性则是单一灰色。

经典遗传研究证明,使雄性身体产生红色斑点,背鳍上出现黑色斑点是由Ma 基因控制的,这一性状限于雄性中;还有许多体色基因具有类似的遗传
方式,由此说明Guppy 是XY 型性决定。

还有许多其它鱼类都是利用这种分析方法得知其性决定体系的。

1.2　人为诱导鱼类性反转,来判断其性决定体系
性反转在鱼类中是极其普遍的。

在鱼类中存在由于环境因素如温度诱发的性反转。

人工饲以激素或在水中加入性激素也常常可以获得性反转鱼类。

但在这些性反转个体的后代中其性决定仍由性染色体决定。

激素诱发的性反转可以使我们很方便的不借助于显微镜观察和复杂的遗传杂交就可以估计其异配类型。

如果雌性是同配性别的,它反转成为雄性后与正常雌性个体杂交后代应由单一雌性组成;而如果雌性是异配性别时,经类似的杂交后代中应同时出现雌雄个性。

通过这类实验证明金鱼是雄性异配的即XX /XY 型;鲤鱼、莫桑比克罗非鱼(Tilapia mossambica )也是一样[2]。

1.3　依据染色体的形态差异判断性决定体系
在有些鱼类中性染色体的进化更高级一些。

真正的具有不同大小和形状的异形性染色体,在许多不同分类群中都已发现。

利用普通的染色方法可以在显微镜下清楚地观察到,如短颌鲚雄2n =48,染色体可配为24对;雌鱼2n =47,只能配为23对,余下一个较小的染色体不能配对,它的单独出现总是与雌性性别联系在一起,应是性染色体。

这样,雄性为异配性别,因而是ZZ /ZO 型性决定[3]。

白缘鱼央属于另外一种性决定体系,其2n 数在雌雄中都是24,但在雄鱼中染色体组成为19M +2SM +2ST +1T ;而在雌鱼中为20M +2SM +2ST 。

雄鱼中有一条独一无二的端部着丝点染色体,可在显微镜下直接识别出,雌鱼中比雄性中多一条M 组染色体,这样雄性中就存在一对异形染色体,其性别决定为XX /XY 。

1.4　依据染色体带型差异判断性决定体系
已进行核型考查的鱼类中,除少数几种外,绝大多数没有发现异形性染色体。

但这并不意味着不存
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在性染色体,而是由于鱼类进化地位较低,其性染色体分化程度不明显,尽管一些种类中已有一定程度的分化,但在形态上还没有明显的差异。

应用分辩力较高的染色体分带技术有可能检测出同形染色体上微小的结构差异,进而识别其性染色体组成。

由于鱼类多重带技术尚不成熟,此类报导多见于C带和银染带。

Haff等人(1984)率先应用C带技术证明美洲齿鲤(Poecilia sphenops)的性染色体组成是ZZ/ ZW。

经C分带,在雄性个体中两个一号染色体具有明显的异染色质分布;而在雌性个体中,两个一号染色体有明显的区别,其中一条与雄性个体中的类似,另一条则多了一个端部C带区。

这种与性别相关联的C带,使我们有理由认为其性染色体组成为ZZ/ZW。

Pseudatocindus tetensis是甲鱼占科(Loriari-dae)。

Andreata等人(1992)应用C带技术证明其性染色体组成为XX/XY型。

1.5　人工诱导鱼类单性发育,来判断性决定体系
在自然界,动物的生殖方式有单性生殖和两性生殖之分。

脊椎动物大多行两性生殖。

但在鱼类中也有少数种类是行单性生殖的。

例如美洲鱼将(O ry-zlas latipes)和银鲫(Carassiu aceratus gibelio)是已确认的天然雌核发育(Gynogenesis)的鱼类。

单性生殖的理论依据是基于成熟卵子已具备全部发育信息的潜能。

模拟天然雌核发育,可以人工诱导鱼类进行单性生殖。

从理论上分析,雌核发育成活的子一代,如果全是雌性,那么它的亲本雌性应是同型配子(XX),雄性是异型配子(XY),其性决定体系是XX ♀/XY。

如果雌核发育成活的子一代,即有雌性个体又有雄性个体,它的亲本雌性则就是异型配子(ZW),即其性决定体系为ZZ/ZW♀。

因此,根据单性生殖子一代的性别表现,可以推测其亲本性决定的机制。

然而在实际操作中,单性生殖后代的性别并不是单一的,总是含有另一性别的个体。

这可能是由于鱼类性决定可塑性大,性别分化易受环境因素的影响。

也可能是由于异源精子在激活卵细胞时,其部分染色体片段(其上携有性别决定基因或其它与性分化有关的基因)整合到了雌核中,从而影响了性别决定因素的表达。

2　鱼类性别决定和性染色体的基本特征
主要应用上述几种方法和其它一些方法,目前关于鱼类性别决定已积累了一定的资料。

把这些资料同高等脊椎动物其它类群相比较可以看出,鱼类的性染色体和性别决定体系并不是整齐划一的,而是存在着多种形式。

多基因性决定机制是最原始的类型,与性决定有关的基因位于多个染色体上,性决定取决于这基因间的平衡。

这样的性决定机制如剑尾鱼(Xiphophorus helle ri)等。

每一个基因对性腺的发育有微效作用的累积效应,环境条件的变化及基因型的改变都可能引起群体性比变化。

在多数鱼类中,这些决定性别的基因已集中到某一染色体上。

同源染色体间在一个或几个基因位点上有一定程度的差异,可以把这染色体称为性染色体,但由于性染色体没有发生形态分化或分化程度较低,与常染色体之间难以区分,不能用传统细胞遗传学方法加以区别。

很多鱼类经遗传学研究证明有性染色体存在,但细胞学上却鉴定不出,如花斑剑尾鱼(Xiphophorus maculatus),许多学者对其性决定机制进行过详尽的遗传学研究。

根据其性连锁的色素基因的行为确定在其群体中有W,X,Y三种性染色体,X染色体上有一个重要的雌性因子,相对于雄性因子为隐性;W染色体上有一强的显性的雌性基因,而Y染色体上具有雄性决定因子;X,Y,W染色体之间是同源的。

在花斑剑尾鱼自然群体中发现有以下性染色体组合:XX,XW,YW为雌性;XY,YY为雄性。

显然,在该鱼中存在雌雄同时为异配的情形,但对它们进行细胞遗传学检查未观察到异形性染色体。

在少数鱼类中性染色体是较为进化的。

异形性染色体在大小,形态或显带组成上存在较大的差异可以在显微镜下观察到,自从Chen和Ebling(1966)首先从Bathylagus wesethi中发现异型性染色体以来,已有许多关于发现异形性染色体的报道,在已考查核型的鱼类中,具有异形性染色体的种类不足10%,是比较稀少的现象。

性染色体决定性别是一种较高等性调节类型。

X和Y或Z和W染色体之间是不同的,但这种差异包含一个或几个性特异的基因。

现有资料表明,鱼类的性染色体是多种多样的,各种类型都不乏其例,如XY;ZW;ZO;XO; Z1Z2W1W2和各种复数性染色体等。

鱼类性染色体的出现与否及性染色体的种类与它们的系统进化地位无关。

Leporinus是一个较大的属,约有70种,产于中美和南美,其引人注目的一点就是该属中同时存在有雌性异配和雄性异配的性染色体。

如L.silvestri为XX/XY型,而L.trifasciatus 为ZZ/ZW型。

在我国已考查过染色体组型的170余种鱼类中,有10种具有异形的性染色体。

它们分布于四个目,并且染色体数目差异很大。

其中鲤形目的鲫鱼(Carsssius auratus auratus)、鲶形目的胡子鲶(Clarias fuscus),革胡子鲶(C.leathe r)、蟾胡子鲶
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(C.batrachus)、斑胡子鲶(C.mac roc ephalus)、白缘鱼央(Leiobagrus marginatus)、黑尾鱼央(L.minigricauda)、拟缘鱼央(L.marginatoides)以及鲈形目的刺鳅(Mas-tac embelus aculeatus)具有XX/XY型染色体;鲱形目的短颌鲚(Coilia brachygnathus)具有ZZ/ZO性染色体。

鱼类性染色体的分化发生于进化历程不同的分类群中。

目前尚未发现鱼类中某一较大分类群都具有相同的性染色体决定体系的报道。

3　鱼类的性染色体标记和性别特异片段鉴别方法在鱼类的遗传学研究及育种实践中常常要求鉴别其性染色体组成。

由于大多数鱼类性染色体分化程度较低,无法从形态上加以识别;同时鱼类性别决定的可塑性大,在胚胎发育过程中易受环境条件的影响,导致性表现与遗传基础的不一致。

这种特点对于单性鱼的生产极其不利。

因而发展一种可以识别其遗传组成的简便方法将具有十分重要的意义。

找出性别特异的DNA片段。

作为性决定遗传基础的分子标记是一种较简捷的鉴别方法。

B km序列是从一种蛇的W染色中分离出的性别特异片段,把它作为探针与鱼类基因组DNA进行杂交,发现其中也存在Bkm序列,但并未显示性别特异性。

“扣减杂交”是一种能找出性特异片段的方法,Nakayama等人就是利用这种方法在Le porinus elongatus中找出了两个性特异片段,并识别出这种鱼为ZZ/ZW型性决定。

但这两个片段在其它鱼类中未显示性特异性。

应用在高等脊椎动物中性特异的探针如Bkm,ZFY 和SRY进行基因组Southern杂交分析,在虹鳟(On-corhynchus mykiss);普通鲤(Cyprinus carpio); Dre ochromis nilotic us和Leporinus elonpatus等鱼类中没有发现性特异片段。

从其基因组DNA中分离出重复序列,其结果也是否定的(1991)。

Tiersch等人应用同样的探针,对Ictalurus punc tatus的基因组DNA 进行研究,除了发现个体间呈现多态片段外,也没有发现性特异片段(1992)。

但是,Wevlin等人,应用差减DNA杂交方法,从大鳞大麻哈鱼基因组DNA中分离到了一个Y染色体特异的重复序列。

Nakayama 等人应用同样的方法研究了具XX/XY型性决定的虹鳟和具有ZW/ZZ型决定的Loporinus elongatus的基因组DNA。

从虹鳟中得到两个性特异片段;其中一个位于Z和W染色体上,另一个仅位于W染色体上。

但用这两个片段对同一属的另一种鱼L.frde ric i的基因组DNA杂交并未显示出性别特异性。

R APD技术是近几年出现的,可以快速寻找分子标记的一种有效方法。

用它来寻找各种标记的成功报道比比皆是。

Moran(1996)应用RAPD技术在虹鳟中也未找到任何与性别有关的DNA片段。

从以上的研究可以看出,在鱼类中是存在有性别特异的DNA片段的,但这些片段在不同鱼种中可能不同,这有点类似于其性决定机制。

从目前已发现的鱼类性别特异片段来看,都属于不具编码能力的重复卫星DNA。

重复DNA是异染色质的组成成份。

这些DNA的出现和积累将导致性特异的异染色质出现。

C带技术往往能简便的显示出这些区域。

因此,我们认为,在寻找鱼类中性染色体的标记和性特异片段时,首先应采用C带技术进行分析。

在C带技术不能揭示性染色体时可考虑运用其它方法。

例如Moran在虹鳟中发现的X染色体上的5SrRNA标记等(1996)。

只有当这些方法都不能达到目的时,才有必要采用诸如基因组DNA差减杂交,RAPD筛选等较为费力的方法。

由于寻找鱼类性染色体标记和性特异片段具有十分重要的理论价值和实践意义,因此,今后这方面的研究预计仍将持续发展下去,其前景是十分诱人和光明的。

总的来说,鱼类的性决定机制的多样性是令人吃惊的。

从营自体受精的雌雄同体到高等的性染色体决定性别都不乏其例。

显然在现存鱼类的共同原始祖先中尚不具备性染色体,在进化历程中,性染色体开始分化。

在不同物种中分化的方向和分化的程度各有不同,从完全同源性染色体直至其中一条完全消失有多种演化过渡类型存在。

因此研究鱼类中性染色体进化,将会极大地丰富人们关于基因组进化的知识,对于揭示近缘物种间染色体组进化的机制,对于指导生产实践都具有十分重要的意义。

主要参考文献
[1]余先觉,周暾,李康等.中国淡水鱼类染色体,1989,北京:科学出
版社
[2]杨永铨等.应用三系配套途径产生遗传全雄莫桑比克罗非鱼,遗
传学报,1980,7(3):241～246
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[4]周荣家,余其兴,程汉华等.PCR扩增黄鳝和刺鳅SRY盒基因,科
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