百年遗传之谜——什么是决定蜜蜂性别的“分子骰子”

　　Csd基因可能有100多种变体，它在决定蜜蜂性别方面起着关键作用。这些基因在有性繁殖过程中聚集在一起:当基因组随后包含Csd基因的两种不同变体时，一只雌性蜜蜂发育出来，然后被饲养(左图)。当受精使两种相同的变体结合在一起时，雄蜂就会发育出来，但它不是由工蜂抚养的。而雄蜂则是通过无性繁殖产生的

　　

迄今为止，人们还不清楚蜜蜂的性别究竟是如何确定的。来自杜塞尔多夫海因里希·海涅大学(HHU)的一个由生物学家和化学家组成的研究小组现在已经确定了一个关键基因和与之相关的分子机制。在最新一期的科学杂志上科学的进步，他们描述了这个过程如何类似于一个包含两个骰子的游戏。

生物的性别对其形态、功能和行为有着重要的影响。生物的生理性别通常在其生命之初就确定了。例如，在人类中，决定性别的“Y染色体”的存在决定了一个男人是否会出生。

西里西亚牧师Johann Dzierzon早在1845年就已经研究了蜜蜂(Apis mellifera)的性别决定机制。除此之外，他还发现了雄性蜜蜂的无性繁殖——“雄蜂”。

蜜蜂的性别决定

与人类不同，蜜蜂并不是只有一条决定性别的染色体。由HHU进化遗传学研究所的Martin Beye教授领导的一个研究小组现在已经确定，性别是由一个单一的基因决定的，被称为“Csd”(互补性别决定因子)，通过一种特殊的机制。

这种基因可以有100多种变异，即所谓的等位基因。在其他情况下，例如在花中，一个基因的各种等位基因可以决定花瓣的颜色。

在有性受精的情况下，来自卵子和精子细胞的简单染色体组合在一起形成双二倍体染色体组合。因此，现在在每只有性受精的蜜蜂中存在两种Csd基因变体。

德国杜塞尔多夫的蜜蜂研究人员的下一个发现是:当Csd基因的两个等位基因不同时，雌性蜜蜂就会发育。相反，如果该基因的等位基因在两条染色体上是相同的，就会发育成雄性蜜蜂。然而，由于蜜蜂想要防止这种情况，以避免近亲繁殖，工蜂不养这些卵。

性别决定的分子机制

问题仍然是这种性别决定是如何在分子水平上发生的。首席作者Marianne Otte博士说:“有必要知道，Csd基因的每个不同等位基因都会产生相关的Csd蛋白的不同变体，所有这些变体都略有不同。我们能够证明，只有不同的Csd蛋白才能相互结合，从而激活一个决定‘雌蜂’的分子开关。相比之下，如果蛋白质相同，它们结合的方式不同，开关就不会被激活。在这种情况下，雄蜂会发育，但不会被饲养。”

Beye教授是《Science Advances》杂志上这项研究的最后一位作者:“这就像一个有两个骰子的分子游戏:然而，在这种情况下，掷出两个骰子的不是赢家。相反，投掷必须产生两个不同的数字，才能使一只新的蜜蜂——一只雌性蜜蜂——被饲养。”

相比之下，雄蜂是从未受精卵发育而来的。因此，这些雄性蜜蜂只有一组简单的染色体，具有相同的Csd蛋白质。蜂王决定在产卵过程中不向卵中添加精子。

结论及未来发展方向

Otte博士:“通过追踪Csd蛋白的开关功能，我们已经能够解开一个存在了100多年的遗传之谜。”Beye教授评论了进一步的研究问题:“工蜂用来识别受精卵是否含有两种不同的Csd蛋白并因此转换为'雌性'的机制仍然未知。蜂箱里很黑，肯定有嗅觉线索。”

研究结果将用于推进蜜蜂育种措施。

参考文献:

“Recognition of polymorphic Csd proteins determines sex in the honeybee” by Marianne Otte, Oksana Netschitailo, Stefanie Weidtkamp-Peters, Claus A. M. Seidel and Martin Beye, 4 October 2023,?Science Advances.