牠圓潤可愛,人畜無害。然而,來自沃爾巴克氏體的DNA,似乎控制了鼠婦的性別。

鼠婦,不倒翁蟲,土鱉,皮球蟲,西瓜蟲。這種惹人喜愛的生物有許多名字,在北美、歐洲和亞洲地區廣泛分佈。牠喜歡潮濕,一見光就逃跑,受到威脅的時候就會蜷曲成球狀體。牠常常被捲入和一種細菌的演化戰爭中。這場戰爭至關重要,賭上的是牠自己的性別特徵。

鼠婦的性別由兩條染色體Z和W控制。有兩條Z染色體的會發育成雄性,ZW染色體的會成為雌性。但在一些種群中,一種名為沃爾巴克氏體(Wolbachia)的微生物正在改寫這條規則。

沃爾巴克氏體會感染鼠婦的細胞,並且僅通過雌性傳遞,只有鼠婦媽媽能將這種細菌傳給後代。雄性胚胎對沃爾巴克氏體來說就是個死胡同。結果是,當沃爾巴克氏體傳到雄性身上,細菌會干擾產生荷爾蒙的腺體發育。結果,所有感染了沃爾巴克氏體的鼠婦幼體都會長成雌性,哪怕牠們的基因是雄性也一樣。在這些種群中,W染色體有全部消失的趨勢。最終,所有的鼠婦的基因都變成了ZZ,得透過牠們體內是否出現了沃爾巴克氏體來判斷牠們將來會變成雌性還是雄性。

一種微生物就能全盤掌握宿主的性別,這已經夠駭人聽聞了。但是,在過去四十年裡,一群法國科學家挖出了故事的全貌,現在牠出現了更加令人困惑的轉折。

在上世紀80年代,法國研究者指出,有些鼠婦沒有感染沃爾巴克氏體,卻表現得好像感染了一樣。牠們的染色體都是ZZ,但其中一些仍然發育成了雌性。研究人員假設,細菌將牠的一段DNA插入了鼠婦的基因組中,這個「女性化因子」(f-element)主導了鼠婦的性別,哪怕是在沒有感染沃爾巴克氏體的情況下。

受限於80年代的技術水平,研究人員當時無法驗證他們的猜想。但是三十年後,普瓦捷大學的科爾多(Richard Cordaux)離證明這個猜想已經很接近了。

科爾多對一些丹麥鼠婦的基因進行了測序,發現牠們都攜帶了沃爾巴克氏體的DNA。牠們沒有感染細菌的跡象,但細菌的基因仍然在鼠婦的一條染色體中苟延殘喘。這種新組合成的染色體表現得就像正常鼠婦的W染色體,它的出現意味著這隻個體將成為雌性——雌性都攜帶它,而雄性都沒有它。

總而言之:這些鼠婦最初有Z和W兩種染色體,雄性的基因型是ZZ,雌性的基因型是ZW。在通過母系遺傳感染了沃爾巴克氏體後,W染色體消失了,所有的鼠婦都變成了ZZ,現在由是否感染細菌決定牠們是雌性還是雄性。最後,沃爾巴克氏體四處傳播自己的基因,把鼠婦的一條染色體變成了一種新的性染色體,它的行為就像最初丟失的W。

兜了一圈之後,鼠婦的性別又回到了「原廠設定」。牠們的性別仍然由自己的染色體決定,即原裝的Z染色體和W染色體的2.0版。當然,沃爾巴克氏體還在,它成了新的W染色體的一部分。儘管沃爾巴克氏體的實體不在那兒,它的DNA仍然控制著鼠婦的性別。

亞利桑那州立大學的賽勒斯(Melissa Wilson Sayres)說:「我的內心在尖叫。這跟我們對性染色體演化的普遍看法真是截然相反。」

用我們自己的X和Y染色體來解釋一下性染色體的普遍情況。它們最初是一樣的,攜帶著相同的基因。隨後,大約3億年前,其中一條發生了突變,使其攜帶的一個基因變成了決定性別的開關,能將雄性與雌性區分開來。這條染色體最終變成了Y,而這對染色體中的另一條變成了X。

這是一條典型的路徑:一對染色體共有的什麼東西發生了變化,使它們朝不一樣的方向演化。但在鼠婦身上,這種差異出現的原因是「另一種完全不同的物種的DNA的干預,」賽勒斯說,「演化永遠能讓我感到驚奇。」

馬里蘭大學的唐寧-霍托普(Julie Dunning-Hotopp)對此略有懷疑。她已經在很多動物的基因組中發現了沃爾巴克氏體的基因,其中甚至有一種果蠅,體內含有這種細菌的全部基因組。她「完全相信」科爾多研究的鼠婦身上也有沃爾巴克氏體的DNA,但她不確定這些DNA是否決定了鼠婦的性別。也許決定性別的是另一個基因,而沃爾巴克氏體的DNA只是剛好在它旁邊而已。

要確定這一點,唯一的辦法是證明沃爾巴克氏體的基因確實被激活了,並影響了鼠婦幼體的發育。科爾多說:「這就是我們目前正在進行的實驗。」

德州大學的莫蘭(Nancy Moran)認為,在共生微生物影響動物性別演化方面,也許還存在許多其他案例。她說:「關於共生生物的很多發現都是這樣,最初只有一個特例,隨後才被發現是一種普遍現象。這種鼠婦很可能不是唯一的案例。」

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R. Cordaux. Evolution of new sex chromosomes by lateral genome transfer of bacterial symbiont in pillbug. International Congress of Entomology, Orlando, Fla., September 29, 2016.

編譯來源:When an Animal’s Sex Is Set by a Microbe

撰文:Ed Yong

翻譯:瑪雅藍

編輯:遊識猷

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