还记得初中生物学课上用显微镜看到的草履虫吧?以下是主人公沙漠虫和草履虫一样的单细胞真核动物。这些家伙有点像。
四膜虫也是生物学的模式动物,曾在营养和药物研究中表现不凡,是分子生物学的大功臣之一,它先后帮助过几位科学家摘取了诺贝尔奖的桂冠。实验动物们是没有隐私的,四膜虫也是一样。而作为一种模式动物,四膜虫的方方面面科学家就更为关注,都想研究个透彻,于是四膜虫的的“婚恋”行为就暴露在了科学家的目光之下,看得这个仔细呀,竟然发现了四膜虫有7种性别。想象一下,科学家整日眼睛盯着显微镜的视野,等着四膜虫们恋爱、结婚时的无聊与无奈吧!于是,科学家发现,四膜虫简直太挑战人类道德观了,竟然有七种性别。每个四膜虫的性别形成是完全随机的,根本和“父母”是什么样的性别没有关系。这又是怎么回事呢?
科学家发现,四膜虫细胞中具有典型的核双型现象,即在细胞中同时存在两个细胞核,大核和小核。小核负责生殖,含5对染色体。四膜虫在环境条件好时会进行无性生殖,这时,小核内的基因转录处于沉默状态时只休息不工作。大核是由小核产生的,负责日常的生命活动,基因的转录和表达水平都很高。当周围环境不利时,四膜虫进行接合生殖,这时,诡异的性别决定现象就发生了。先算一道数学题。以四膜虫的7种性别,如果任意两种可以自由交配,每一种性别内部不能交配,那么应该有7×6÷2=21种交配组合。如果只有特定的性别之间才可以交配,这道排列组合题目就显得太难了。
四膜虫的接合生殖
恭喜你,四膜虫选择了前一种方式。在四膜虫的接合生殖过程中,两个作为“父母”的四膜虫的细胞中大核小时,小核结合在一起成为接合核,然后,这个接合核继续分裂,产生子代四膜虫的大核的小核,在这个过程中,子代的性别被确定下来。而性别的确定却有一套略微复杂的机制。
四膜虫的7种性别来自于不同的7种“性别决定”蛋白质,而不是7种不同的生殖系统,千万别忘了四膜虫是单细胞生物。如果两个四膜虫的“性别决定”蛋白质完全一样,它们之间就不能进行有性生殖。决定四膜虫的交配类型,即四膜虫的性别,是一对基因,叫做MTA/MTB基因对。在7种交配型中,这个基因对的基因序列都有所不同。然而即便有所不同,这些基因序列仍然非常相似,显示出这些基因序列亲缘关系很近,可能来自于共同的祖先。接合生殖中新形成的四膜虫大核的基因组里,只有一种特定的MTA/MTB基因对,决定了新形成的四膜虫的性别。
一项2013年3月26日发表于《PLOS Biology》上的研究详尽地阐述了上述机制。但是有趣的是,这项研究中采用的并不是7性别四膜虫,而是6性别四膜虫,因此,在这类四膜虫的小核基因组里,则只有6种MTA/MTB基因对,每种基因对对应一种交配型。小核如何在指导大核形成时,只在大核里保留了一种基因对?这六种基因对在小核里如糖葫芦般串在一起,排列的顺序完全随机,并且每个基因都是不完整的,缺乏首尾两端的启动子和终止子。在子代四膜虫的大核发育过程中,小核的6种基因对进行随机的剪切和连接,有五种会被删除掉,余下的一种来决定未来的性别。这样,就形成了6种性别。而在7性别四膜虫中,则是在7种MTA/MTB,七选一,删除六种,留下一种。
那么,四膜虫折腾出这么眼花缭乱的性别,是为什么?原来,它们是借此保护子代的多样性,以便适应恶劣的环境。这样,不管环境多恶劣,它的手头总有应急预案在。