棘皮动物性别决定与分化研究进展.docx

摘要:棘皮动物是重要的海洋渔业资源，中国现有棘皮动物500余种，其中海参和海胆均被誉为“海产八珍”，具有极高的经济价值。大多数棘皮动物不存在明显的雌雄二态性，但在性腺色泽、免疫力、激素水平等层面却展现了性别差异，因此，针对棘皮动物性别决定及分化机制展开研究、实现单性群体养殖具有重要的理论和经济意义。本文综述了棘皮动物，尤其是经济棘皮动物（海参、海胆）的生殖对策、性别决定和性别分化遗传基础，并就棘皮动物性染色体的确定、性别连锁分子标记的开发应用、基因编辑技术应用及性激素诱导单性养殖等方面提出未来重点研究建议，以期推动经济棘皮动物性别控制育种工作进程。关键词：性控育种；性别决定；棘皮动物；性染色体；海胆性别被誉为是“进化生物学中问题的皇后”,一直是生命科学领域的研究热点。性别形成包括性别决定和性别分化，性别决定是指未分化的双向潜能性腺决定其是向卵巢方向发育，还是向精巢方向发育的过程。而性别分化是指未分化的双向潜能性腺发育为卵巢或者精巢，并出现第二性征的过程。在水产动物中，揭示性别决定机制，可有助于实现对其进行性别控制，进而在实际育种工作中开展单性养殖。研究表明，单性养殖在提高群体生长率、控制繁殖速度、延长有效生产期、缩短育种时间等方面具有显著优势。目前，大多数脊椎动物的性别决定及性别分化机制已经得到较为全面的阐述，其性别决定机制也展现出复杂性和多样性。如哺乳动物的性别决定机制属于遗传型性别决定，其性别是由位于Y染色体上的SAy基因决定；多数爬行动物的性别决定属于温度依赖型性别决定，龟鳖类的性别会受到孵化温度的影响；而许多鱼类不仅受遗传因素决定，还受到环境因素的调控。如半滑舌鲸Cynog1ossusse/zEZaep/s具有明显的性染色体，属于ZW/ZZ型，在温度过高或过低时雌鱼会发生性逆转，在遗传育种的过程中可通过人为改变环境因素得到伪雄鱼，然后与正常ZW雌鱼交配得到WW超雌鱼，从而实现全雌化育种。棘皮动物是继脊索动物的第二大类后口动物，在物种进化过程中处于重要位置。棘皮动物共分为海百合纲Crinoidea、海胆纲Echinoidea>海参纲Ho1othuroidea海星纲Asteroidea和蛇尾纲OPhiUrOidea5个纲，现存共7444种,主要分布于海洋中。其中海胆、海参、海星、海蛇尾具有较高食药用价值，海参和海胆更是被誉为“海产八珍”,经济价值极高，据2023年中国渔业统计年鉴显示,2023年中国海参和海胆养殖产量分别为196564t和7952.53t。在海参产业中，中国北方以刺参加OSSjaponicus为主,南方海参种类繁多，如糙海参Ho1othuriascabra、梅花参The1enotaananas、花刺参StichopusVariegatus、白底辐肛参Actinopygamauritiana和黑乳参Microthe1eoZs等。海胆作为一种模式生物，除具有重要的经济价值外，还因胚胎透明、发育同步、孵化速度快、结构简单等特点，成为研究受精、胚胎早期发育、免疫和进化的一个良好模型。海胆的主要养殖种类有光棘球海胆Mesocentrotusnudus、中间球海胆SIrongy1ocentrotusintermedius和马粪海胆Heinicentrotus"ZMe加US等。性腺是海胆唯一可食用部分，因此，早在20世纪初就有研究人员针对其性别决定及性腺发育展开相关研究。近年来，随着高通量测序、基因敲除、基因敲降、性控育种等生物技术的发展，棘皮动物的性别相关研究发展迅速。本文中，综述了有关棘皮动物性别决定和性别分化的遗传基础，以及性别控制育种在棘皮动物养殖中的应用、前景展望，以期推动经济棘皮动物性别控制育种工作的进程。1棘皮动物生殖策略1.1性别表型多样性棘皮动物的性别表型呈现物种特异性和多样性。绝大多数棘皮动物属于雌雄异体，少数会在整个生活史中发生性逆转，存在雌雄同体现象俵1）。表1棘皮动物中雌雄同体种类及其性别逆转方式Tab.1Hermaphroditespeciesandsexua1reversa1patternsinEchinodermata种类species性别逆转方式sexua1reversa1pattern文献来源reference海星纲AsteroideaFromutghardaifiaPrOIandryAchituv,1972*As1eriasforbesipro1an(1r)A1dric1i.1955,As1erinaxnceriiprotogynyCognetti,1954"Patirie1UiKdgUaProtandryByinet1992*NepanthiaMcheriprotandrrOttesen等，1982及Pa1irieIJuParVi1IparaPa1irie11avivixrafunctiona1hcnaphroc1itisnfunctiona1Iicrnniphrodi1ismBync,199620jBymet199620j海参纲Ho1othuroideaSynaptidahydriformisfunctiona1henuphro<!itisnFrick等，19962Ho1othuriaatraProtandryHarriott,1982*IJabi(1oPk1XmediaPrOIandryGotto,1972,1ePtOSynaPtaInhaerensprotan<1r'Runnstromt1927*Ijeptosynaptuc1arkiProIandrySewe11,1994*IxoxtichojmsscsprotogynyPaHoIa-Madriga1等，2017Pentacte11aPerrierifunctiona1hermaphroditismMartinez等，202Om海蛇尾纲OphiuroideaOphio1episkierip)1an(1r)'Hend1er,1979,AmphiiiraS1epanoviiPro1andryFcmIoIov,1926*OphiocanthabidentataprotandrrTy1er,1982OphionereisO1ivaCeaprotandryByme,1991*Ophio1hrixSP1ProtandrySchoppe,1994,注：*原始参考文献来自SeWe11(1994)。Note:*theorigina1referenceisfromSewe11(1994).棘皮动物雌雄同体(hermaphroditism)可分为两类：功能性雌雄同体(functiona1hermaphroditism)和顺序性雌雄同体(sequentia1hermaphroditism)o功能性雌雄同体是指具备成熟精巢和卵巢，并能够同时产生精子和卵子的雌雄同体。顺序性雌雄同体是指阶段性的雌雄同体现象，即一个生物在特定的刺激之下转变性别的过程。Kubota通过性腺组织学观察揭示了卵板步锚参¾h力即打。0/ax在繁殖季节可由雄性转变为雌性，之后再回转为雄性。贝氏尼斑海星Nepanthia6eMer既可进行无性生殖又可进行有性生殖,Ottesen等通过性腺组织学观察发现，所有贝氏尼斑海星的性腺中均存在卵母细胞，这些性腺有的起卵巢作用，有的起精巢作用，发生无性生殖后，部分个体的卵巢会转变为精巢。此外，在雌雄异体的群体如紫色球海胆SIrongy1ocentrotuspurpuratus和暗色刺参Isostichopusfuscus中也会有个别个体表现为功能性的雌雄同体，其群体中性别比例往往会偏离1-1o1.2生殖对策多样性在棘皮动物中，有两个与繁殖有关的生理学阈值：D如果低于维持生物个体基本生存的最低营养需求，性腺将不会发育生长，而高于这个水平，性腺发育且体细胞有限生长（外部限制）；2）性腺和体细胞的生长都在一定程度上受到获取食物能力的限制（内在限制）。刺参在繁殖状态下存在多种生殖代价，如繁殖状态会抑制运动耐力和消化生理，提高代谢水平。但刺参也会有相应的适应策略，如行动可塑性与摄食食物的选择性可以适应运动耐力的减退和高能量的需求。多数棘皮动物进行有性生殖，无性生殖的情况仅出现在少数海参、海星和海蛇尾中。除冠海星Stephanasteriasa1bu1a是仅进行无性生殖的物种外，其余可以进行无性生殖的棘皮动物多为无性生殖与有性生殖交替进行。如地中海的CoscinasteriasIenuispina海星兼具无性和有性生殖的能力，在长期进行无性繁殖的群体中其性腺仍然会保留生殖能力。伯顿海燕Aqui1onastraburtoni>多筛指海星1inckiamu1tifora>辐蛇尾OphiactisSavignyi和Ophiocome11aOphiactoides海星可以通过分裂中央盘或切开身体的某一只臂产生新个体。黑海参Ho1othuriaatra和黄疣海参H.hi11a则可以将自己的身体扭断生长为两个新的个体。目前，海胆中尚未发现无性生殖相关的报道。棘皮动物中天然单性生殖情况十分罕见。棘皮动物的性别表型及生殖对策的多样性，暗示着其性别决定及性别分化机制的多样性。1. 3性别二态性性别二态性是指同一物种雌雄两性间的性状差异。大多数棘皮动物无明显的性别二态性，仅有少数种类可从外观分辨性别。Curunaria海参的雄性个体具有指状或可延伸的生殖乳突。梅氏长海胆Echinometramathaei雄性个体生殖乳突呈细长的管状，而雌性个体生殖乳突为短而圆的锥形突起。也有些种类在个体大小方面存在显著的雌雄差异，如沙钱EchinarachniusPar1na、挎雄蛇尾Ophiodaphneformata雌性个体大于雄性。在极端自然环境下长棘海星Acanthasterp1anci雄性个体为了延长寿命会牺牲其繁殖能力，从而导致雌性个体性腺质量大于雄性。海参和海胆作为棘皮动物中重要养殖物种，较难从外表分辨雌雄，这也增加了遗传育种工作的难度。但海参和海胆中免疫力、激素含量等方面存在明显的性别差异。此外，雌海胆性成熟时性腺会产生一种苦味氨基酸，使得雌性海胆不如雄性味道鲜美。因此，在海参和海胆中开发单性养殖具有重要的应用前景。2棘皮动物性别决定和性别分化的遗传基础通常性别决定可分为遗传性别决定(geneticsexdetermination,GSD)和环境性别决定(environmenta1sexdetermination,ESD)O遗传性别决定主要有基因性别决定和性染色体决定，性染色体又分为雄性异配性别决定和雌性异配性别决定；环境性别决定通常指生物的性别分化受到周围环境因素影响，如温度、pH、光照和周围群体密度等环境因素控制。许多物种在性别决定中包含了遗传性别决定和环境性别决定两种机制，且这两种机制相互影响。1.1 染色体组成及异型性染色体早在20世纪初，一些学者就针对棘皮动物的染色体展开了研究并试图揭示其染色体的带型。由于棘皮动物的染色体较小且紧聚，因此，进行染色体核型分析十分困难。棘皮动物的染色体数目在2n=36至2n=46之间，与其他物种相比，棘皮动物的染色体数目显示出了高度的保守性，但是，稳定的染色体数目并不一定意味着棘皮动物的进化过程中没有染色体演化。性染色体通常被认为是从一对常染色体演化而来，进化过程中积累的突变使得原始的常染色体上的某个或某几个基因可以决定性别。棘皮动物性染色体的研究一直是研究人员探究的热点和难点。早期研究中，Pinney用切片法观察到7>夕即s%esVentricosus海胆染色体数目为30、32、33,并推测