Dissecting the origins of a complex reproductive trait: nematode self fertility

剖析复杂生殖性状的起源：线虫自交

• 批准号: 9216579
• 负责人: RONALD E ELLIS
• 金额: $ 30.59万
• 依托单位: ROWAN UNIVERSITY SCHOOL/OSTEOPATHIC MED
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2017-01-01 至 2020-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9216579
• 关键词: Address; Affect; Aging; Animal Model; Animals; Area; Behavior; Biology; Caenorhabditis; Comparative Study; Complex; Deltastab; Development; Developmental Biology; Evolution; Female; Fertility; GLI Family Protein; Gene Expression Regulation; Genes; Genetic; Genetic Processes; Genetic Screening; Genome; Germ Cells; Health; Human; Human Development; Hybrids; Informal Social Control; Knock-out; Laboratories; Learning; Life Style; Malignant Neoplasms; Medical; Methods; Modeling; Molecular Models; Mutation; Natural experiment; Nematoda; Oocytes; Partner in relationship; Pathway interactions; Play; Process; RNA Interference; Recording of previous events; Regulation; Reproduction; Reproductive Behavior; Research; Role; Self-control as a personality trait; Series; Sexual Development; Sperm Count Procedure; Spermatogenesis; System; Testing; Time; Work; base; comparative; darwinism; egg; experimental study; genetic resource; interest; male; molecular modeling; mutant; novel; offspring; reproductive; reverse genetics; sex determination; sperm cell; sperm quality; theories; tool; trait

One  of  the  most  important  questions  in  evolutionary  biology  is  how  new  traits  originate.  To  find  answers,  this  proposal  focuses  on  the  origin  of  self-­‐‑fertility  in  some  species  of  roundworms.  These  species  produce  hermaphrodites  that  look  like  females,  but  make  their  own  sperm  and  fertilize  their  own  eggs.  Surprisingly,  these types of hermaphrodites evolved independently on many separate occasions. Thus, genetic comparisons  between different roundworm species provide a natural system for learning about evolution in the laboratory.  Two  of  these  species  are  particularly  useful.  C.  nigoni  is  male/female  ,  but  C.  briggsae  makes  hermaphrodites.  Despite this dramatic difference, the two species are so closely related that they can mate and produce fertile  offspring. Hence, genetic comparisons between them should reveal which genes control self-­‐‑fertility.    The  central  hypothesis  in  this  proposal  is  that  new  traits  like  self-­‐‑fertility  originate  in  three  steps.  The  first  produces  preconditions  that  are  required  for  the  new  trait.  The  unequal  distribution  of  these  preconditions  means  that  some  species  are  more  likely  to  evolve  a  particular  trait  than  others.  The  second  step  involves  a  precipitating change that produces the new trait in an unrefined form, by co-­‐‑opting older genetic processes. The  third  stage  consists  of  reinforcing  changes  that  optimize  the  trait.  The  mutations  controlling  each  step  can  be  identified by their behavior in the tests described below.    Aim #1: Determine how sexual development is controlled in male/female species of roundworms. These  results will define the ancestral sex-­‐‑determination pathway and identify preconditions for self-­‐‑fertility.     Aim  #2:  Identify  C.  briggsae  genes  that  are  necessary  and  sufficient  for  XX  spermatogenesis.  Swapping  genes  between  female  and  hermaphroditic  species  will  reveal  which  genes  are  sufficient  to  make  herma-­‐‑ phrodites.  These  genetic  changes  might  have  precipitated  the  transition  to  self-­‐‑fertility.  Other  genes  that  only  affect the number or quality of sperm in hermaphrodites probably helped optimize this trait after it first arose.    Aim #3: Use forward and reverse genetics to learn how self-­‐‑fertility is regulated in C. tropicalis. Dissecting  the genetic regulation of self-­‐‑fertility in a third species will test these predictions about how it is controlled.    In  roundworms,  the  Gli  protein  TRA-­‐‑1  plays  a  key  role  in  the  control  of  sexual  development,  and  interacts  with other medically relevant genes to control which germ cells form eggs and which make sperm. Thus, these  studies will provide new information about the regulation of genes that play important roles in human health.

进化生物学中最重要的问题之一是新特征是如何起源的。  要寻找答案，  该提案的重点是某些蛔虫物种自体受精的起源。  这些物种产生  雌雄同体，看起来像雌性，但自己产生精子并使自己的卵子受精。  出奇，  这些类型的雌雄同体在许多不同的场合独立进化。 因此，遗传比较  不同蛔虫物种之间的研究为在实验室中了解进化提供了一个自然系统。  其中两个物种特别有用。  C. nigoni 是雄性/雌性，但 C. briggsae 是雌雄同体。  尽管存在这种巨大的差异，但这两个物种的关系非常密切，以至于它们可以交配并产生可育的后代  后代。 因此，它们之间的基因比较应该揭示哪些基因控制自体生育。    该提案的中心假设是自体受孕等新特征起源于三个步骤。  第一个  产生新特征所需的先决条件。  这些先决条件的分配不均  意味着某些物种比其他物种更有可能进化出特定的特征。  第二步涉及  通过选择较旧的遗传过程，以未经精炼的形式产生新的特征，从而引发变化。 这  第三阶段包括加强优化特征的改变。  控制每个步骤的突变可以是  通过他们在下面描述的测试中的行为来识别。    目标#1：确定雄性/雌性蛔虫物种的性发育是如何控制的。 这些  结果将定义祖先的性别决定途径并确定自我生育的先决条件。     目标 #2：确定 C. briggsae 基因对于 XX 精子发生是必要且充分的。  交换  雌性和雌雄同体物种之间的基因将揭示哪些基因足以使雌性—— 佛洛狄忒。  这些基因变化可能加速了向自体受孕的转变。  其他基因仅  影响雌雄同体精子的数量或质量可能有助于优化这一特征。    目标#3：利用正向和反向遗传学来了解热带念珠菌如何调节自体受精。 解剖  第三个物种对自体受精的遗传调控将检验这些关于如何控制它的预测。    在蛔虫中，Gli 蛋白 TRA-‐‑1 在控制性发育中发挥着关键作用，并相互作用  与其他医学相关基因一起控制哪些生殖细胞形成卵子以及哪些生殖细胞形成精子。 因此，这些  研究将提供有关在人类健康中发挥重要作用的基因调控的新信息。