Science | 鸟类性二色性的遗传机制

金丝雀改变颜色

​ 许多动物都具有性别二形性，雄性和雌性的表型不同。为了确定鸟类羽毛颜色的性别差异的遗传基础，Gazda等人研究了镶嵌型金丝雀和相关物种的红色色彩形成。利用遗传杂交、基因组图谱、转录组学和比较基因组学分析，作者表明类胡萝卜素相关基因BCO2的反式调控参与了性别二色性形成。尽管这种性别间的变色很常见，特别是在鸟类中，但已知参与的候选基因很少。这项研究有助于阐明支撑双色性进化的分子机制，并可能有助于发现性选择特征。

Abstract

​ 性二色性，即雄性和雌性之间颜色的差异，可能是由于为了纹理和配偶选择的性选择。本文展示了在镶嵌型金丝雀中基于类胡萝卜素的二色性，这是一种杂交的表型，出现在有性二色的红色金丝雀和单色金丝雀的后代中，是由编码类胡萝卜素氧化酶2（BCO2）基因控制的。镶嵌型金丝雀的二色性是由表皮中类胡萝卜素的不同降解来解释的，而不是由生理功能（如色素的吸收或运输）的性别特异性变化来解释。转录组分析表明，表皮中类胡萝卜素的降解可能是导致不同雀科动物的性别二色性的一个共同机制。这些结果表明，两性之间的颜色差异可以通过简单的分子机制演变，受基因调控。

Results

​ 在鸟类中，性二色性的遗传差异在物种间基本固定。由于这种性状在种群内缺乏遗传差异，使得将基因型和表现型联系起来的尝试变得异常复杂。因此，作者利用性二色性的红雀（Spinus cucullatus）和缺乏性二色性的普通金丝雀（Serinus canaria）之间的种间杂交产生的驯化金丝雀品种。镶嵌型式金丝雀具有明显的二色性，雄性在其羽毛中积累的类胡萝卜素比雌性多（图1）。镶嵌型的表型是以孟德尔方式分离的。

​ 为了阐明性二色性的遗传基础，作者对两个杂交品种进行了全基因组测序，并与四个家养品种和一个普通金丝雀的野生种群进行了比较。在红雀与金丝雀杂交后，通过与普通金丝雀的世代回交，选择了控制性二色性的红雀等位基因（图1）。因此，预测镶嵌型式金丝雀的基因组序列应该与普通金丝雀的基因组序列非常相似，除了介导二色性的区域，该区域应该来自红雀的基因组。

​ 通过进行遗传分化[固定指数（FST）]、关联[Cochran-Mantel-Hanzel检验（CMH）]和基因渗入分析[通过基因渗入共享的基因组部分（fˆd）和相对节点深度（RND）] 。这些分析显示，在scaffold NW_007931177上有一个明显的离群区域（图2，A至D），它与斑马雀24号染色体同源。第二个较弱的信号与CYP2J19重叠，这是一个与金丝雀的红色羽毛颜色有关的基因。由于使用了同时表现出黄色和红色的品种，遗传分化在CYP2J19基因座上被放大了，而当比较仅限于表现出相同背景颜色的品种时，信号就消失了。因此，不认为CYP2J19在二色性中起作用。相比之下，分化、关联和渗入统计表明，scaffold NW_007931177上的离群基因座是控制镶嵌型金丝雀出现性二色性的有力候选基因。

​ 接下来，通过对野生金丝雀和红雀之间的替代等位基因固定的52个突变进行基因分型，提高了在scaffold NW_007931177上的测绘分辨率（图2E）。由于镶嵌型表型遵循隐性遗传模式，预期镶嵌型鸟类应该是来自于红雀基因组的单倍型的纯合基因。与这一预期一致，在所有的镶嵌型金丝雀中发现了12个连续的突变为红雀的等位基因，定义了一个约36kb的区间（NW_007931177：821,814至857,981碱基对）。这个区间包含三个基因。PTS（6-丙酮酰四氢蝶呤合成酶）、BCO2（β-胡萝卜素加氧酶2）和TEX12（睾丸表达的蛋白12）。

​ 性别二形性的表型来自于两性之间基因调控的差异。因此，通过qPCR测量了雄性和雌性金丝雀的性二色尾臀区再生羽毛毛囊中PTS、BCO2和TEX12的表达（图3A）。发现雄性和雌性之间的PTS或TEX12的表达没有明显差异[Mann-Whitney U rank sum test（MWU），P>0.21]。相比之下，观察到与雄性相比，雌性的BCO2表达明显增加（MWU，P=0.02）。

​ 为了进一步确定BCO2的表达模式，通过原位杂交分析了雄鸟和雌鸟的发育中的羽囊（图3B）。观察到BCO2在雄性和雌性发育中的白色毛囊的羽枝脊和条状细胞中的表达。没有观察到BCO2在类胡萝卜素色素羽囊的条脊中的表达。这表明，BCO2在发育中的白羽毛囊中选择性地表达，并通过类胡萝卜素的局部降解产生镶嵌型表型。

​ 为了测量等位基因在再生毛囊中的特异性表达，我们将镶嵌型金丝雀与普通金丝雀杂交，并产生了BCO2基因座上与二色性相关的金丝雀等位基因和普通金丝雀等位基因的杂合鸟（图3C）。在杂合子鸟类中，两个BCO2等位基因受到相同的反式作用调节元件和其他环境因素的影响；因此，它们相对表达的差异应该是由于顺式作用调节元件（即增强子或启动子），它以等位基因特异性的方式影响基因表达。在两种性别和三个取样的羽囊中，红雀的等位基因比金丝雀的等位基因优先表达[费舍尔精确检验（FET），P<10^16]。这种差异可能是由于金丝雀单倍型上有一个更活跃的顺式调控元件，并可能解释了为什么与普通金丝雀相比，两种性别的镶嵌型金丝雀的表皮表现出较少的类胡萝卜素色素（图1）。

​ 一雄一雌的样本量很小，两种等位基因的相对表达在性别之间没有明显的差异（FET，P>0.05）。然而，确实观察到了三个羽毛之间的明显差异（FET，P＜0.05）（图3C），这表明金丝雀基因组背景中的反式作用因子可能在区域上调节整个体表的BCO2表达。BCO2表达的反式作用因子和/或位于基因组其他地方的额外基因可以改变类胡萝卜素的沉积或降解速度，这可以解释为什么镶嵌型金丝雀和红雀表现出不同的类胡萝卜素色素模式（图1），尽管在BCO2基因座上有相同的DNA序列（图2E）。结果表明，二色性表型可以由具有较大影响的基因产生；然而，它们也表明，额外的遗传修饰因子可能参与了自然界中观察到的二色性的微调。

​ 为了测试在镶嵌型金丝雀中发现的性二色性的机制是否存在于野生鸟类物种中，检查三种雀类发育中的羽毛中的基因表达，这些雀类基于类胡萝卜素的性二色性的程度不同（图4A）：普通金丝雀（S. canaria）表现出野生型的色彩，它表现出轻微的性二色性；金丝雀的姊妹物种-欧洲金丝雀（Serinus serinus），它表现出更明显的性二色性；以及家雀（Haemorhous mexicanus），一个雄性表现出明亮的红色或黄色的物种，但雌性在其羽毛中几乎没有彩色的类胡萝卜素。对所有三个物种的表皮的相同区域（胸部和腹部）进行采样，并通过RNA测序对基因表达进行分析。

​ 测试性二色性的程度是否与雄性和雌性之间的基因表达分歧有关。发现性别间类胡萝卜素色素差异较强的羽毛斑块（房子雀的胸部和腹部以及家雀的胸部）具有较多的差异表达基因（DEGs）（图4B），表明性二色性与性别偏向的基因表达增加有关。
​ 还比较了性别之间、姊妹物种之间或物种内的斑块之间的基因表达，显示了类胡萝卜素色素水平的明显差异（图4C）。由于雄性和雌性的转录组在大多数组织中是不同的（17），数据集中观察到的许多表达差异应该与色素沉着差异没有因果关系。因此，推断三种类型对比中共享的DEGs将是有可能成为介导二色性的候选基因。在全部数据集中的DEGs中，只有12个基因符合这一标准（图4D），包括BCO2。

​ 仔细研究发现，在涉及欧洲金丝雀的比较中，BCO2的表达有几个方面随羽色类胡萝卜素含量的变化而可预测（图4E）。首先，红雀雌性比红雀雄性表现出较少的类胡萝卜素色素，并且BCO2的表达水平较高。其次，与金丝雀雌性相比，欧洲金丝雀雌性的BCO2表达较高，而后者表现出更明显的类胡萝卜素色素。最后，在表现出更强类胡萝卜素色素的羽毛斑块中，雄性和雌性欧洲金丝雀的BCO2表达都较低。这些发现表明，BCO2在欧洲金丝雀的二色性中起作用。在涉及家雀的比较中，BCO2的表达与类胡萝卜素色素的水平基本不相关（图4E），这表明家雀可能使用其他分子机制来产生性二色性。

Discussion

​ 对性二色性的遗传研究可能揭示了使单一共享基因组表达不同的雄性和雌性特征的分子机制。嵌合型金丝雀的性别间类胡萝卜素色素的差异是由一个起源于红雀的单一基因组区域控制的。该区域包含BCO2，这是一个在显示基于类胡萝卜素的性别差异的鸟类中进行性别特异性色素沉着的候选基因。这种遗传机制的简单性可能有助于解释性二色性的进化稳定性，以及为什么类胡萝卜素色素是鸟类中最常与性二色性相关的着色机制。类胡萝卜素着色中的性二色性被认为是由类胡萝卜素的摄取、吸收、代谢或运输中的性别差异造成的。然而，类胡萝卜素在周围组织中以不同的速度选择性地降解，可能是雄性和雌性类胡萝卜素颜色差异的一个重要机制。这些发现增加了越来越多的证据，即BCO2位点是跨越多种组织和脊椎动物的基于类胡萝卜素的色素进化的基因组热点区域，本研究研究将其扩展到性二色性。

Reference

Stepfanie M. Aguillon, Jennifer Walsh, Irby J. Lovette, Extensive hybridization reveals multiple coloration genes underlying a complex plumage phenotype, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 288, 1943, (20201805), (2021).https://doi.org/10.1098/rspb.2020.1805