Science封面文章！200年前达尔文的疑问被解答

性二态性（同一物种性别之间的表型差异）是自然界中一种普遍存在但令人困惑的现象。自达尔文以来，这些特征如何演变就使进化生物学家着迷。人们几乎不了解允许物种从几乎相同的基因组产生不同形态的遗传和分子机制。最近的研究表明，性两色性是由两性的性和自然选择驱动的。更好地了解性双色性的遗传基础对于充分阐明潜在的进化过程至关重要。类胡萝卜素是自然界中观察到的大多数红色，橙色和黄色的色素。这些色素主要是由植物，细菌和真菌合成的。大多数动物必须通过饮食获得类胡萝卜素。尽管类胡萝卜素信号传导的确切生理机制仍然存在争议，但基于类胡萝卜素的着色被广泛认为是个体质量或状况的信号。目前还不清楚如何在外周组织中加工和沉积类胡萝卜素，以及如何在基于类胡萝卜素的着色中产生性别特异性差异。

2020年6月12日，葡萄牙波尔图大学Miguel Carneiro团队在Science 在线发表题为“A genetic mechanism for sexual dichromatism in birds”的研究论文，该研究结合遗传杂交，基因组作图，转录组学和比较分析，显示类胡萝卜素加工基因BCO2的反式调节与性双色性有关。尽管性别之间的这种色差很普遍，尤其是在鸟类中，但几乎没有候选基因参与其中。这项研究有助于阐明双色性进化基础的分子机制，并可能有助于揭示性选择的特征。该研究被选为这期Science 的封面文章。

最后，美国罗彻斯特大学Nancy Chen在Science 发表题为“A gene for color differences between sexes”的点评文章，该文章系统总结了研究成果，未来对这一基因座的进一步研究可能有助于弄清自然选择和性选择的相对重要性，以及性染色体在性二色性进化中的作用。

性二态性（同一物种性别之间的表型差异）是自然界中一种普遍存在但令人困惑的现象。自达尔文以来，这些特征如何演变就使进化生物学家着迷。人们几乎不了解允许物种从几乎相同的基因组产生不同形态的遗传和分子机制。性二态性的最突出形式之一是雌雄之间的羽毛不同，或性二色性。实际上，在某些物种中，性别特异性的颜色差异很大，以至于雄性和雌性曾经被认为是不同的物种。最近的研究表明，性两色性是由两性的性和自然选择驱动的。更好地了解性双色性的遗传基础对于充分阐明潜在的进化过程至关重要。

在鸟类中，性双色性发展迅速，在密切相关的物种中双色性有多种获得和丧失的现象，并且主要是由基于类胡萝卜素的着色差异引起的。类胡萝卜素是自然界中观察到的大多数红色，橙色和黄色的色素。这些色素主要是由植物，细菌和真菌合成的。大多数动物必须通过饮食获得类胡萝卜素。尽管类胡萝卜素信号传导的确切生理机制仍然存在争议，但基于类胡萝卜素的着色被广泛认为是个体质量或状况的信号。目前还不清楚如何在外周组织中加工和沉积类胡萝卜素，以及如何在基于类胡萝卜素的着色中产生性别特异性差异。

该研究探讨了家养金丝雀性双色性的遗传基础。研究人员专注于镶嵌金丝雀，这是通过将性双色-红色siskin（Spinus cucullatus）与性单态普通金丝雀（Serinus canaria）杂交，然后将杂交后代与S. canaria反复杂交（回交）而产生的。镶嵌金丝雀可以是黄色或红色，并且雄性比雌性显示出更多的类胡萝卜素色素沉着。通过分析金丝雀基因组序列，研究人员鉴定出基因组中与性二色性相关的单个32 kb区域。

为了进一步缩小搜索范围，研究人员研究了基因表达模式。研究人员在感兴趣的基因组区域中发现了一个在雄性和雌性的毛囊中差异表达的单一基因：BCO2。编码的酶降解类胡萝卜素分子，并与绵羊，母牛和鸟类的类胡萝卜素浓度变化相关。研究表明，BCO2在发育中的白羽卵泡中选择性表达，这表明镶嵌雌性类胡萝卜素色素沉着减少是由BCO2的性别特异性上调引起的。这些结果提供了证据，表明类胡萝卜素色素沉着的性别差异不是由色素的差异沉积引起的，而是由BCO2的性别差异表达引起的色素的差异性局部降解引起的。

Science 封面（图源自Science ）

BCO2还能解释其他物种的性双色性吗？为了测试其机制的普遍性，研究人员研究了三种在类胡萝卜素色素沉着中具有不同程度的性双色性的羽毛的发育过程中的基因表达：普通金丝雀（S. canaria），Serinus serinus和Haemorhous mexicanus。Serinus serinus中BCO2的表达模式与镶嵌金丝雀中观察到的模式一致：类胡萝卜素色素沉着较少的雌性和羽毛斑块的BCO2表达较高。相比之下，BCO2的表达与雀科的类胡萝卜素色素沉着无关，这表明即使雀科内也存在多种性双色性机制。

总之，该研究结合遗传杂交，基因组作图，转录组学和比较分析，显示类胡萝卜素加工基因BCO2的反式调节与性双色性有关。尽管性别之间的这种色差很普遍，尤其是在鸟类中，但几乎没有候选基因参与其中。这项研究有助于阐明双色性进化基础的分子机制，并可能有助于揭示性选择的特征。

参考消息：

DOI: 10.1126/science.aba0803

DOI: 10.1126/science.abc2242