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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.
Sex-specific markers are a prerequisite for understanding reproductive biology, genetic factors involved in sex differences, mechanisms of sex determination, and ultimately the evolution of sex chromosomes. The Western mosquitofish, Gambusia affinis, may be considered a model species for sex-chromosome evolution, as it displays female heterogamety (ZW/ZZ), and is also ecologically interesting as a worldwide invasive species. Here, de novo RNA-sequencing on the gonads of sexually mature G. affinis was used to identify contigs that were highly transcribed in females but not in males (i.e., transcripts with ovary-specific expression). Subsequently, 129 primer pairs spanning 79 contigs were tested by PCR to identify sex-specific transcripts. Of those primer pairs, one female-specific DNA marker was identified, Sanger sequenced and subsequently validated in 115 fish. Sequence analyses revealed a high similarity between the identified sex-specific marker and the 3' UTR of the aminomethyl transferase (amt) gene of the closely related platyfish (Xiphophorus maculatus). This is the first time that RNA-seq has been used to successfully characterize a sex-specific marker in a fish species in the absence of a genome map. Additionally, the identified sex-specific marker represents one of only a handful of such markers in fishes.
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)’.