杂交水蛙Pelophylax esculentus中普遍存在的非随机线粒体DNA异质性现象及其进化意义

本研究针对杂交水蛙Pelophylax esculentus群体中线粒体DNA(mtDNA)异质性(heteroplasmy)的起源与维持机制展开探索。研究人员通过Illumina双索引扩增子测序技术，首次在塞尔维亚Pancevo种群中发现所有个体均携带2-5种mtDNA单倍型，其中一种占主导(>98%)且存在显著的性别差异——雌性特有lessonae单倍型完全缺失于雄性。结合人工异质性实验与计算机模拟，证实卵母细胞中线粒体瓶颈效应与选择压力共同作用，导致未受精卵异质性水平显著低于母体(p=0.007)。该成果发表于《BMC Ecology and Evolution》，为理解杂交系统中mtDNA动态提供了新视角。

　　

在动物界，线粒体DNA(mtDNA)通常被认为严格遵循母系遗传规律。然而近年来，高通量测序技术不断揭示"异质性"(heteroplasmy)——即个体携带多种mtDNA类型的现象——远比想象中普遍。这种现象在杂交物种中尤为突出，但关于其产生机制和进化动力学的争论从未停止：究竟是随机遗传漂变主导，还是自然选择在暗中操控？来自塞尔维亚Pancevo的杂交水蛙Pelophylax esculentus种群，以其独特的杂交生殖系统(hybridogenesis)和普遍存在的异质性现象，成为了破解这一谜题的理想模型。

为探究异质性的分布规律与传递机制，Jelena Radojicic团队对16只成体(8雌8雄)及其61枚未受精卵进行了系统研究。通过设计特异性引物RL1/RL2扩增mtDNA片段，结合Illumina MiSeq平台的双索引测序技术，研究人员建立了可检测低至0.1%异质性水平的定量方法（人工异质性实验显示R²>0.994）。质量控制方面，采用9.17×10^-5的错误率阈值过滤测序噪音，并通过克隆验证排除核线粒体假基因(NUMTs)干扰。

异质性在成体中的分布

所有雌性和部分雄性个体均呈现2-5种mtDNA单倍型共存状态，主要单倍型频率超过98%。值得注意的是：

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  雌性专属的lessonae单倍型(L1/L2)完全缺失于雄性群体

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  四种ridibundus单倍型(R1a-R1d, R2a-R2d)在两性间广泛分布

  

卵母细胞中的异质性传递

46枚未受精卵检出异质性，但水平显著低于母体(p=0.007)。存在"单倍型跳跃"现象——某些卵携带母体未检出的单倍型，反之亦然，暗示生殖腺与体细胞可能存在mtDNA分布差异。

计算机模拟揭示选择压力

通过建立包含线粒体瓶颈效应(20-10,000个mtDNA分子)的传递模型发现：

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  需≥600个mtDNA分子才能解释46/61异质性卵的观测值

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  仅20个mtDNA分子的严格瓶颈才能匹配0.001的实际异质性水平

  

这项研究颠覆了三个传统认知：首先，异质性在Pelophylax群体中不是零星存在而是普遍现象；其次，单倍型分布呈现显著性别二态性，暗示与杂交生殖系统的特殊互作；最重要的是，异质性水平在卵母细胞中的非随机降低，证明纯遗传漂变假说不足以解释观测数据。研究者提出"选择筛"模型：在Balbiani体介导的线粒体瓶颈过程中，特定单倍型组合可能因线粒体-核基因组互作优势而被选择性保留。该发现为理解杂交物种中线粒体动态提供了新范式，也为医学领域mtDNA疾病研究提供了进化视角。