罗非鱼近缘种不同性别决定方式的分子进化机制研究

Sex is a special characteristics. Two closely related tilapiine species, Oreochromis niloticus and O. aureus adopted XY and ZW sex determination system, respectively. Based on the fact that interspecific hybridization between the two fishes produces fertile offspring, we propose that there are no absolute barriers between those two systems, instead, there is a coordination mechanism between the two different sex determining genes and regulating networks. Sexually antagonistic selection has critical roles in the recruitment and fixation of new sex determining locus. Introgression resulted from interspecific hybridization produces inestimable gene combinations and polymorphisms, which are investments to the indeterminate future environment, and therefore, is critical to the rapid divergence and adaptation of the tilapiines. In the present study, we intend to prove these hypotheses by making use of the completed 5 cichlid genome sequences, and the 20 gonad transcriptomes (12 to be sequenced) from the two species and their hybrids sampled at the critical period of tilapia sex determination and differentiation. We plan to screen their sex determining genes and regulating networks from the genome and transcriptome level, to select sex specific and sex biased genes and analyze the expression profile of these genes and steroidogenic enzyme genes, and to compare the difference in sex determining gene and their regulatory mechanism between the two species. The proposed research will finally contribute to the elucidation of the role of sexually antagonistic selection and introgression caused by hybridization in the evolution of sex determining genes, speciation and adaptive radiation, and to the elucidation of the molecular evolution mechanism of different mode of sex determination in closely related tilapiines.

近缘种尼罗罗非鱼和奥利亚罗非鱼分别采用XY和ZW两种性别决定类型。基于两者杂交后代可育的事实，我们认为性别决定类型的区分不是绝对的，亲本两套不同性别决定基因和调控网络存在协作机制，性别对抗性选择对于性别决定位点产生和快速固定有重要作用。杂交导致的基因渐渗可产生不可估量的基因组合和多态性，是对不可预测环境的投资，这在罗非鱼的快速分化和适应辐射过程中有重要作用。基于已公布的罗非鱼基因组序列，我们利用新一代测序技术测得两种罗非鱼以及它们杂交后代性别决定与分化关键时期性腺的20个（12个待测）转录组数据，寻找性别决定基因和下游调控网络，筛选性别特异、性别差异基因，分析它们以及类固醇合成酶基因的表达谱，从全基因组水平比较两种罗非鱼性别决定基因及其调控机制的差异，揭示性别对抗性选择和杂交引起的基因渐渗对于性别决定基因的进化、物种形成和适应辐射的作用，从而阐明罗非鱼近缘种不同性别决定方式的分子进化机制。

近缘种尼罗罗非鱼和奥利亚罗非鱼分别采用XY和ZW两种性别决定类型。基于两者杂交后代可育的事实，我们认为性别决定类型的区分不是绝对的，不同性别决定类型的调控网络存在保守性，其差异主要取决于最上游的性别决定基因不同。利用XY和ZW罗非鱼杂交模型，采用全基因组测序、简化基因组测序、转录组分析、fosmid文库构建、实时定量PCR、原位杂交、免疫组化、基因敲除和转基因过表达等方法研究了近缘种不同性别决定方式的调控网络及其相互作用，取得以下主要结果：（1）在建立尼罗罗非鱼转化系（XX♂，XY♀）和超雄系（YY♂，YY♀）的基础上，建立了奥利亚罗非鱼纯系（ZW♀，ZZ♂）、转化系（ZZ♀）和超雌鱼（WW♀）；利用种间杂交获得基因型单一的杂交后代（ZX♂、ZY♂、WY♂和WX♀）；（2）建立罗非鱼基因组编辑技术和转基因过表达技术，这是首次在养殖鱼类建立起基因组编辑技术；（3）获得了两种罗非鱼雌雄性别特异的分子标记，证明尼罗和奥利亚罗非鱼的性染色体分别在LG23和LG3，克隆了尼罗罗非鱼的性别决定相关基因amhy；并通过基因敲除、转基因过表达等手段证实了amhy的性别决定作用；（4）通过基因敲除和过表达从功能缺失和功能获得两方面证实了雌雄通路关键基因的拮抗作用，揭示了性别决定与分化的多基因作用机制；（5）阐明近缘种可以通过种间杂交和基因突变两种方式实现快速的性别决定基因、性染色体的转换，甚至性别决定方式的转换；（6）项目执行期间发表SCI论文20篇，作国际会议大会特邀报告1人次，口头报告3人次。获授权国家发明专利2项。培养博士后2人，博士生6人，硕士研究生9人。本研究为阐明鱼类性别决定的多基因作用机制、近缘种性别决定方式的进化以及丽鱼的快速成种和适应性辐射奠定了基础。