闪光信号在萤火虫物种形成过程中的作用和机制

Sexual selection plays an important role in speciation, the genetic basis underlying the rapid speciation driven by sexual selection have been of great interest for evolutionary biologists. We set out to focus on two recent sister firefly species distributed widely in China, adult males of both species display flash signals distinct from each other , and adult females show strong preferences to conspecific male flash signals. We will use mitochondrial genes and microsatellite loci as genetic markers to evaluate population genetic variations of the two sister firefly species, aiming to ascertain whether distinct flash signals have been fixed in populations, and whether gene flow is restricted between populations with different flash signals. These results would indicate that the divergence in male flash signals should result from sexual selection and not anything else. Furthermore, we will employ RNA-Seq and Sanger sequencing to examine sequence variations of candidate genes in fireflies with and without flash production, and further screen the critical genes required for flash production and sensation. Additionally, we will test whether mutations of these critical genes have occurred in the populations with distinct male flash signals, genes with fixed mutations in distinct populations must play a role in driving speciation. Finally, we will map the genes with fixed muations onto gene networks and regulatory pathways, and attempt to find the general rules of polygenic interactions and evolutionary mechanisms underlying sexual selection. Our work will provide empirical data and important insights for theories of speciation driven by sexual selection.

性选择在物种形成过程中具有重要作用，性选择驱动物种快速分化的遗传学基础一直是进化生物学家最感兴趣的科学问题之一。本项目的研究对象是一对在中国广泛分布的萤火虫近缘姐妹种，其雄性具有不同的闪光信号特征，雌性偏爱同种雄性的闪光信号。拟用线粒体基因和微卫星为遗传标记，分析这对萤火虫姐妹种的种群遗传差异，判断不同的闪光信号特征是否在种群中快速固定、种群间的基因流是否受到限制，进而阐释是性选择还是其他因素推动了萤火虫的雄性闪光信号的分化。采用RNA-Seq和基因测序技术，比较分析发光和不发光萤火虫的基因序列差异，筛选出与发光和感光功能相关的关键基因，检测这些关键基因在萤火虫姐妹种不同种群中的基因突变是否已经固定。然后，将氨基酸突变已经固定在种群中的关键基因定位到基因网络和调控路径中，探讨性选择驱动的多基因相互作用和进化机制的一般规律，为性选择能导致物种形成的理论提供经验数据的支持。

性选择在物种形成过程中具有重要作用，性选择驱动物种快速分化的遗传学基础一直是进化生物学家最感兴趣的科学问题之一。本项目的研究对象是一对萤火虫近缘姐妹种，其雄性具有不同的闪光信号特征，可能是雌性性选择的信号。我们采集了两个物种六个种群123个个体，录制了雄虫的闪光信号特征，测定了的COI和Cytb基因。结果显示，两个物种的雄虫闪光信号确实有显著差异；两个线粒体基因的系统进化树表明，两个物种无法形成单系群，即闪光信号差异并不能决定萤火虫的系统发育关系。对两种萤火虫进行Two-choice行为学实验，发现两种雌虫对两种雄虫的闪光都有响应，但是对两种雄虫的不同闪光信号没有偏好，提示雄虫闪光信号差异并不是推动这两个萤火虫性选择和物种形成的主要动力。对这两种萤火虫发光器的比较转录组分析表明，发光器表达的基因序列在两个物种中的进化比较保守，Ka/Ks的平均值小于0.05，提示两种萤火虫发光相关基因并没有出现显著分化。因此，这两种萤火虫可能不是研究性选择对物种形成的作用和分子机制的理想研究对象。. 为了继续研究性选择行为差异在物种形成中的作用和遗传学机制，我们探索了其它已经有行为学实验证明的具有性选择行为差异的姊妹种。行为实验表明，生活在两个土壤类型的盲鼹鼠种群具有显著的配偶选择偏好，提示正在形成生殖隔离，可能已经形成新物种。因此，盲鼹鼠可能是更好的研究对象。为此，我们与以色列海法大学的研究人员合作，对一种分布于同一区域的盲鼹鼠进行了全基因组重测序，揭示了该地下鼠的两个群体适应不同土壤环境的分子机制。群体基因组学研究表明，两个群体的分歧时间仅仅为20-40万年，自然选择已经驱动了300多个功能基因的强烈分化，而且两个群体的地下鼠受到自然选择的基因显著不同：一个群体中受选择的基因具有感觉、运动、能量代谢等功能，而另一个群体中受选择的基因具有营养代谢、神经调控等功能。进一步的群体遗传学研究表明，嗅觉和味觉受体基因在两个群体中也具有显著分化，提示配偶选择（嗅觉）和栖息地选择（味觉）促进了两个群体的强烈分化。研究还发现，两个动物群体具有显著不同的蛋白质降解机制。因此，即使没有地理隔离，哺乳动物也可以快速适应不同的环境并分化出新的物种，也就是同域成种。由于大自然能在同一区域内塑造出很多显著不同的小生境，类似的物种分化现象应该更普遍。相关论文发表于2015年9月份的《PNAS》。

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