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Several hypotheses explain the prevalence of undifferentiated sex chromosomes in poikilothermic vertebrates. Turnovers change the master sex determination gene, the sex chromosome or the sex determination system (e.g. XY to WZ). Jumping master genes stay main triggers but translocate to other chromosomes. Occasional recombination (e.g. in sex-reversed females) prevents sex chromosome degeneration. Recent research has uncovered conserved heteromorphic or even homomorphic sex chromosomes in several clades of non-avian and non-mammalian vertebrates. Sex determination in sturgeons (Acipenseridae) has been a long-standing basic biological question, linked to economical demands by the caviar-producing aquaculture. Here, we report the discovery of a sex-specific sequence from sterlet (Acipenser ruthenus). Using chromosome-scale assemblies and pool-sequencing, we first identified an approximately 16 kb female-specific region. We developed a PCR-genotyping test, yielding female-specific products in six species, spanning the entire phylogeny with the most divergent extant lineages (A. sturio, A. oxyrinchus versus A. ruthenus, Huso huso), stemming from an ancient tetraploidization. Similar results were obtained in two octoploid species (A. gueldenstaedtii, A. baerii). Conservation of a female-specific sequence for a long period, representing 180 Myr of sturgeon evolution, and across at least one polyploidization event, raises many interesting biological questions. We discuss a conserved undifferentiated sex chromosome system with a ZZ/ZW-mode of sex determination and potential alternatives.
This article is part of the theme issue ‘Challenging the paradigm in sex chromosome evolution: empirical and theoretical insights with a focus on vertebrates (Part I)’.
Polyploid genomes present a challenge for cytogenetic and genomic studies, due to the high number of similar size chromosomes and the simultaneous presence of hardly distinguishable paralogous elements. The karyotype of the Siberian sturgeon (Acipenser baerii) contains around 250 chromosomes and is remarkable for the presence of paralogs from two rounds of whole-genome duplications (WGD). In this study, we applied the sterlet-derived acipenserid satDNA-based whole chromosome-specific probes to analyze the Siberian sturgeon karyotype. We demonstrate that the last genome duplication event in the Siberian sturgeon was accompanied by the simultaneous expansion of several repetitive DNA families. Some of the repetitive probes serve as good cytogenetic markers distinguishing paralogous chromosomes and detecting ancestral syntenic regions, which underwent fusions and fissions. The tendency of minisatellite specificity for chromosome size groups previously observed in the sterlet genome is also visible in the Siberian sturgeon. We provide an initial physical chromosome map of the Siberian sturgeon genome supported by molecular markers. The application of these data will facilitate genomic studies in other recent polyploid sturgeon species.
Mitotic chromosomes of 16 species of the frog genus Xenopus were prepared from kidney and lung cell cultures. In the chromosomes of 7 species, high-resolution replication banding patterns could be induced by treating the cultures with 5-bromodeoxyuridine (BrdU) and deoxythymidine (dT) in succession, and in 6 of these species the BrdU/dT-banded chromosomes could be arranged into karyotypes. In the 3 species of the clade with 2n = 20 and 4n = 40 chromosomes (X. tropicalis, X. epitropicalis, X. new tetraploid 1), as well as in the 3 species with 4n = 36 chromosomes (X. laevis, X. borealis, X. muelleri), the BrdU/dT-banded karyotypes show a high degree of homoeology, though differences were detected between these groups. Translocations, inversions, insertions or sex-specific replication bands were not observed. Minor replication asynchronies found between chromosomes probably involve heterochromatic regions. BrdU/dT replication banding of Xenopus chromosomes provides the landmarks necessary for the exact physical mapping of genes and repetitive sequences. FISH with an X. laevis 5S rDNA probe detected multiple hybridization sites at or near the long-arm telomeric regions in most chromosomes of X. laevis and X. borealis, whereas in X. muelleri, the 5S rDNA sequences are located exclusively at the long-arm telomeres of a single chromosome pair. Staining with the AT base pair-specific fluorochrome quinacrine mustard revealed brightly fluorescing heterochromatic regions in the majority of X. borealis chromosomes which are absent in other Xenopus species.
Die Frage nach der Entstehung und Beibehaltung von sexueller Reproduktion nimmt in der Biologie eine zentrale Stellung ein. Dazu werden seit langem die Vor- und Nachteile asexueller Fortpflanzung diskutiert, da man sich von einer vergleichenden Betrachtungsweise wichtige Aufschlüsse erwartet. Dem kurzfristigen Vorteil der schnelleren Vermehrung stehen langfristige Nachteile entgegen: Aufgrund fehlender genetischer Rekombinationsprozesse können sich schädliche Mutationen im Laufe der Generationen anhäufen ("Muller’s ratchet"), und schnelle Anpassung an eine veränderte Umwelt oder neue Abwehrstrategien gegen Parasiten werden erschwert. Der Amazonenkärpfling, Poecilia formosa, stellt einen Organismus dar, dessen Fortpflanzung in Folge eines interspezifischen Hybridisierungsereignisses vom üblichen bisexuellen Muster abweicht: Es treten normalerweise nur Weibchen auf, die sich gynogenetisch vermehren. Hierbei werden die unreduzierten diploiden Eizellen durch Spermien sympatrisch vorkommender sexueller Wirtsmännchen nahe verwandter Arten (P. latipinna oder P. mexicana) stimuliert, um eine parthenogenetische Entwicklung der Embryonen zu initiieren. Es findet keine Karyogamie statt, so daß die Nachkommen in der Regel untereinander und mit ihren Müttern genetisch identisch (klonal) sind. Molekularbiologische Untersuchungen ergaben jedoch, daß P. formosa wesentlich älter ist, als dies auf der Basis von "Muller’s ratchet" zu erwarten war. Eine mögliche Erklärung dafür wäre, daß in seltenen Fällen väterliches Erbmaterial an die Nachkommen weitergegeben werden kann (paternale Introgression). Sowohl in natürlichen Lebensräumen als auch unter Laborbedingungen konnten nur zwei Formen paternaler Introgression identifiziert werden: Kommt es aufgrund von Karyogamie zu einer tatsächlichen Befruchtung der diploiden Oozyte durch das haploide Spermium entstehen triploide Individuen. In anderen Fällen verbleiben nach der Aktivierung durch das artfremde Spermium nur geringe DNA-Mengen in der Oozyte, die in den Kern aufgenommen werden und im Karyotyp als überzählige Chromosomen, sog. Mikrochromosomen, zu identifizieren sind. Die beiden Formen paternaler Introgression können jedoch auch kombiniert vorliegen. In diesen Fällen entwickelten sich die Individuen überraschenderweise zu phänotypischen Männchen. Die vorliegenden Ergebnisse über paternale Introgression können zur Aufklärung der Frage beitragen, warum P. formosa und andere asexuelle Organismen offenbar länger überlebten, als vorhergesagt. Im Gegensatz zu den bisherigen Annahmen könnte es sich bei spermienabhängiger Parthenogenese nicht etwa nur um eine unvollkommene Parthenogenese handeln, sondern um einen gut angepaßten Fortpflanzungsmodus, der die Vorteile von asexueller mit denen sexueller Fortpflanzung kombiniert.