性选择驱动生殖性状分化的实验进化证据：种子 beetles 中功能与分子层面的研究

《Evolution Letters》：The effects of sexual selection on functional and molecular reproductive divergence during experimental evolution in seed beetles

本研究通过长期实验进化，探讨了强/弱性选择（SSS/WSS）对种子 beetles (Acanthoscelides obtectus) 生殖性状分化的影响。研究人员通过精子竞争实验和转录组分析发现，强性选择群体中雄性精子竞争成功率（P2）的雄性×雌性互作效应更强，且生殖蛋白（SFPs/FRPs）表达呈现更高分化度，为性选择促进早期生殖分化提供了分子机制层面的证据。

　　

在生物多样性形成的宏大叙事中，生殖隔离是如何产生的始终是进化生物学的核心问题。性选择理论认为，即使没有地理隔离或生态差异，不同种群间也可能因性选择驱动的雄性-雌性协同进化而走向分化。这种分化尤其可能发生在涉及交配后生殖过程的性状上，例如雄性 seminal fluid proteins (SFPs) 和雌性 reproductive proteins (FRPs) 的快速协同进化。然而，这一假说虽然得到大量比较研究的支持，但在实验进化研究中，尤其是在分化早期阶段的直接证据仍较为有限。

为了填补这一空白，来自乌普萨拉大学和贝尔格莱德大学的研究团队在《Evolution Letters》上发表了他们的最新研究成果。他们利用一种名为 Acanthoscelides obtectus 的种子 beetles，建立了经历超过190代进化、处于强性选择（SSS）和弱性选择（WSS）条件下的重复实验种群，旨在探究性选择强度如何影响种群在生殖性状和基因表达层面的分化。

研究人员首先通过竞争性生殖实验验证了实验处理的有效性。结果确证，SSS 线中的雄性确实经历了更强的性选择，其 Bateman 梯度（β_B）和性选择机会（I_s）均显著高于 WSS 线。这为后续的分化研究奠定了前提。

研究的核心部分通过精巧的“双重交配精子竞争实验”展开。雌性先与自身品系的绝育雄性交配，再与同处理组（SSS 或 WSS）内另一品系的可育雄性交配，通过计算第二只雄性的后代比例（P₂）来评估其精子竞争成功率。统计分析揭示了一个关键现象：在 SSS 线中，雄性和雌性品系身份之间存在显著的交互作用，这意味着特定雄性与特定雌性的组合会独特地影响受精结局。这种交互作用在 WSS 线中则不显著。这表明，在强性选择下，种群间在决定精子竞争成败的生殖性状上发生了更显著的分化。

为了探寻上述表型分化的潜在分子机制，研究团队进一步分析了生殖相关基因的表达差异。他们利用近缘物种中已鉴定的 SFP 和 FRP 基因信息，在 A. obtectus 中找到了相应的直系同源基因，并比较了这些基因在 SSS 和 WSS 各重复品系间表达水平的差异程度。结果显示，与全转录组背景相比，SSS 线中的 SFP 和 FRP 基因表达呈现出更高的品系间分化比率。换言之，强性选择下的种群，其生殖蛋白的表达模式进化得更为迥异，这为功能上的生殖分化提供了一个可能的因果解释。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：通过长期实验进化建立并维持了弱性选择（WSS）和强性选择（SSS）品系；利用竞争性交配实验和绝育雄性技术定量评估性选择强度和精子竞争成功率（P₂）；基于RNA-Seq的转录组测序和差异表达分析（使用DESeq2软件）；通过同源比对从近缘物种鉴定种子 beetles 的雄性 seminal fluid proteins (SFPs) 和雌性 reproductive proteins (FRPs) 直系同源基因。

性选择强度的验证

研究人员通过设计特定的交配实验，量化了 Bateman 梯度（β_B）、性选择机会（I_s）和 Jones 指数（s'_max）。结果表明，SSS 线中的雄性确实经历了显著更强的性选择，其 Bateman 梯度约为 WSS 线的两倍，且差异显著（Z = 2.49, P = 0.013）。雌性中的性选择整体较弱，但在 SSS 线中也呈现出更高的趋势。这验证了实验处理成功创造了不同强度的性选择环境。

精子竞争成功中的功能分化

通过广义线性模型分析 P₂ 数据发现，SSS 线中雄性与雌性品系身份之间存在显著的交互作用（p = 0.015），而 WSS 线中该交互作用不显著（p = 0.432）。SSS 线中交互作用的效应大小（η2 = 0.19）是 WSS 线（η2 = 0.09）的两倍多。通过方差分量估计、方差比率检验和Bootstrap重抽样等多种方法均一致表明，SSS 线中基因型间互作对 P₂ 的影响更大。此外，SSS 线的整体平均 P₂（0.61）也显著高于 WSS 线（0.44）。

生殖蛋白基因表达的分子分化

基因表达分析显示，虽然全转录组水平的品系间分化比率在 SSS 和 WSS 线间接近1，但生殖蛋白基因（SFPs 和 FRPs）的分化比率显著高于背景参考基因集。对于雄性 SFP 基因，平均分化比率为 1.0997；对于雌性 FRP 基因，为 1.0359。Kolmogorov-Smirnov 检验和 Mann-Whitney U 检验均证实，生殖蛋白的表达分化程度显著高于基因组平均水平（SFPs: p = 0.004; FRPs: p = 0.012）。

本研究的结果共同表明，更强的性选择可以驱动实验种群在生殖性状上发生更显著的分化。这种分化不仅体现在决定精子竞争结局的雄性-雌性互作效应上，也体现在生殖相关蛋白（SFPs 和 FRPs）的表达模式上。这为“性选择是物种形成引擎”的理论提供了来自实验进化研究的强有力证据，特别是在分化的非常早期阶段。研究揭示了即使在没有外部环境差异的情况下，性选择通过驱动种群间 idiosyncratic（特异的）的雄性-雌性协同进化，也能导致生殖不兼容性的初步积累。当然，作者也谨慎地指出，完全排除自然选择在其中的潜在贡献是困难的，并且生殖蛋白基因集的注释存在局限性。未来的研究需要结合更多样的性选择操纵策略、物种特异性的生殖蛋白功能注释以及功能基因组学方法，来进一步巩固性选择与生殖性状遗传基础演化之间的因果联系。这项研究增进了我们对性选择如何促进分化乃至最终可能导致物种形成的理解。