多染色体连锁环的演化奥秘：两种Leptodactylus蛙类X/Y多重性染色体系统的基因组与细胞遗传学解析

《Communications Biology》：Investigating the evolution of large meiotic rings of multiple X and Y sex chromosomes in two Leptodactylus frog species (Anura, Leptodactylidae)

本研究针对蛙类中罕见的多重性染色体系统（如X1-X6/Y1-Y6）的演化机制，通过整合基因组测序与细胞遗传学技术，首次揭示了Leptodactylus pentadactylus（LPE）和L. paraensis（LPA）雄性减数分裂中大型染色体环（分别含10和8条染色体）的形成与演化规律。研究发现，重复序列（如卫星DNA和转座子）在染色体近着丝粒区域富集，可能通过易位断裂点促进多价环的形成，且两物种的环结构可能独立演化。该成果为理解性染色体-常染色体易位的建立机制及Y染色体退化早期过程提供了关键线索，对脊椎动物性染色体演化研究具有重要意义。

　　

在动物界，性染色体的形态和数量多样性的背后，隐藏着演化生物学中一个引人入胜的谜题：为何某些物种会演化出包含多条性染色体的复杂系统？蛙类（Anura）作为脊椎动物中多重性染色体系统最丰富的类群，为解答这一问题提供了独特窗口。其中，亚马逊雨林中的Leptodactylus属青蛙尤为特殊——它们的雄性个体在减数分裂时，性染色体与常染色体通过相互易位形成大型多价环，如Leptodactylus pentadactylus（LPE）的12条染色体环和L. paraensis（LPA）的8条染色体环。这些环状结构如何形成？其演化是否受重复序列驱动？不同物种的环结构是否同源？这些问题至今未有定论。

为揭示多重性染色体系统的演化机制，研究团队选取LPE和LPA两种环状性染色体物种，以及四种无多价环的近缘Leptodactylus物种作为对照，通过基因组测序、荧光原位杂交（FISH）、C显带等技术，系统分析其重复序列（包括卫星DNA和转座子）的分布与演化。研究首次在LPA中报道了8条染色体的减数分裂环，并在LPE一新种群中发现环染色体数量由12变为10，表明易位事件仍在活跃发生。相关成果发表于《Communications Biology》。

关键技术方法包括：

1. 1.
   基于低覆盖度基因组测序（BGISEQ-500平台）的重复序列注释（使用RepeatModeler2和TAREAN流程）；
2. 2.
   卫星DNA（satDNA）的鉴定与引物设计，通过FISH在有丝分裂和减数分裂染色体上进行定位；
3. 3.
   比较基因组杂交（CGH）检测性别特异性序列差异；
4. 4.
   基于16S rRNA基因序列的最大似然法构建系统发育树；
5. 5.
   染色体形态测量与异染色质分布分析（C显带与rDNA定位）。样本来源于巴西亚马逊地区野生种群（授权编号96067-3）。

物种演化关系与细胞遗传学特征

系统发育分析显示，LPE与LPA亲缘关系较远，其环结构可能独立演化。所有六种Leptodactylus物种均保持2n=22的保守核型，染色体为中部或亚中部着丝粒。C显带证实异染色质主要富集在着丝粒周边区域，LPE的染色体3和5短臂在雄性中呈现长度异质性，提示其可能为 ancestral XY 配对，且Y连锁区域已积累重复序列。减数分裂中，多价环与二价体均通过末端交叉完成配对，相邻着丝粒交替分离，保障了配子平衡性。

重复序列组成与染色体定位

基因组重复序列分析表明，LPE和L. fuscus的重复序列占比均超过50%，以转座子（TE）为主。卫星DNA（satDNA）虽仅占2%，但其家族特异性分布可用于染色体识别。在LPE中鉴定到104个satDNA家族（LpeSatDNAs），其中11个通过FISH定位到特定染色体区域。例如，LpeSat01富集于所有染色体末端，LpeSat03位于着丝粒周边，而LpeSat09、LpeSat91和LpeSat100仅存在于多价环中的特定染色体（如配对3、4、7）。5S rDNA在LPE雄性中仅位于环内染色体3和5的单条同源染色体上，进一步证实易位事件涉及这些染色体。

多价环染色体的识别与演化模型

通过satDNA和rDNA的共定位，研究明确了LPE的10条染色体环包含配对3、4、5、7和11。与LPA的8条染色体环对比后，提出环结构演化模型：祖先XY系统（可能为配对3）通过多次着丝粒周边易位逐步纳入常染色体，形成扩大的多价环。两物种共享环中的染色体4和11，但LPE特有配对5和10的加入，提示易位事件在物种分化后仍持续发生。

讨论与结论：多价环演化的驱动因素与意义

本研究从基因组、细胞遗传学和演化生态学三个层面，探讨了多价环系统的建立条件：

1. 1.
   基因组因素：着丝粒周边重复序列（如satDNA和TE）可能通过 ectopic recombination（异位重组）诱发易位，但LPE中多数satDNA位于染色体末端，与推测的着丝粒周边断裂点不完全吻合；
2. 2.
   减数分裂适应性：染色体末端交叉与着丝粒交替分离机制显著降低不平衡配子产生，为易位杂合子提供生存优势；
3. 3.
   种群遗传学因素：小种群遗传漂变或杂交可能加速易位固定，LPE与LPA的同域分布暗示杂交或为多重易位的催化剂。

尽管多价环包含大量Y连锁区域，但除染色体3和5外，未观察到广泛异染色质化或重复序列大量积累，可能与选择压力抑制Y染色体膨胀有关。与单孔目动物（如鸭嘴兽）的高度退化Y染色体相比，Leptodactylus系统的年轻性为研究Y染色体退化早期过程提供了理想模型。未来通过长读长测序与基因注释，可进一步解析易位断点基因组成与重组抑制时间线。

综上，Leptodactylus蛙类的多重性染色体系统不仅揭示了脊椎动物性染色体演化的可塑性，也为理解重复序列在基因组重构中的作用提供了新视角。其演化动态表明，染色体易位并非罕见事件，而是在特定基因组与生态背景下可反复发生的演化力作。