研究表明竹节虫失去雄性后雄性相关基因仍然保留

特性通常会在进化过程中消失，要么是因为它们不再有益，要么是因为它们维持起来成本太高。当这种情况发生时，人们普遍认为，特性背后的基因最终也会退化，使得特性很难甚至不可能重新出现。然而，自然界中有许多曾经消失的特性在后代中重新出现的例子。

博洛尼亚大学研究员GiobbeForni表示：“将特征的存在与否映射到物种树上表明，一些特征可能在现存物种的谱系中丢失，然后又恢复了。竹节虫的翅膀被认为是这一进化过程中最具代表性的例子之一。”

这意味着这些特征背后的基因可能会被保留下来，在某些情况下可以保留数百万年。不幸的是，对这种重新出现的分子基础的研究很少，到目前为止，导致这种保存的潜在机制在很大程度上仍是猜测。

在《基因组生物学和进化》杂志上发表的一项新研究中，福尼和他的同事阐明了某些竹节虫已经丧失的另一个复杂性状——雄性的产生。

丧失产生雄性的能力会导致种群中只有雌性，雌性通过孤雌生殖进行繁殖，这是一种无性生殖形式。这项研究表明，在调控网络中高度连接并参与多种生物过程的基因可能会在特性丧失后很长时间内保持下去，这为特性在长期进化时间尺度上的重新出现提供了潜在途径。

在这项新研究中，Forni和他的合著者BarbaraMantovani、AlexanderS.Mikheyev和AndreaLuchetti对芽孢杆菌属的三种竹节虫进行了比较分析。Bacillusgrandiimarettimi种群由通过有性生殖的雄性和雌性组成，而Bacillusatticus则由仅通过孤雌生殖繁殖的雌性组成。

第三个物种，红芽孢杆菌，包括有性和孤雌生殖种群。通过研究这三个物种中与雄性生殖有关的基因的命运，作者试图调查性状丧失后基因保存的程度以及驱动这种保存的潜在机制。

研究人员首先在有性生殖物种B.marettimi中确定了与雄性或雌性生殖相关的基因网络，然后评估了B.atticus和B.rossius中的相同基因。令人惊讶的是，与孤雌生殖物种中的雌性相关基因相比，雄性相关基因没有表现出选择减弱或进化加速的迹象。此外，雄性相关基因表达模式在两个孤雌生殖物种中都得到了部分保留。

进一步研究发现，雌性相关网络中的基因主要在雌性生殖组织中表达，而雄性相关网络中的基因则在雄性和雌性生殖组织中均有表达，包括有性生殖雌性和孤雌生殖雌性。这表明雄性相关基因也可能在雌性生殖中发挥作用。

一个基因参与多种生物过程被称为基因多效性，这一现象可能解释了这些孤雌生殖竹节虫中雄性相关基因的保存，正如之前假设的那样。

此外，作者发现，与网络中许多其他基因高度相关的基因更有可能在孤雌生殖的生殖组织中表达，这表明基因的网络连接性也可能影响其性状丧失后的基因保存。

综合起来，这些发现表明“曾经消失的男性生殖过程的分子基础图可能由于对其他特征的多效性影响而持续存在，”Forni解释道。“不同的基因可能根据基因调控网络内的多效性水平采取不同的保存和衰退轨迹。”

这项研究不仅揭示了性状丧失后遗传结构的持久性，还为我们提供了了解稀有雄性和隐性性别(即雄性的偶发性产生和有性生殖)出现的可能性，这些现象在越来越多的谱系中被发现，而这些谱系被认为很久以前就失去了产生雄性的能力。这为研究开辟了新的潜在途径，其影响可能远远超出竹节虫。

“研究性状丧失后遗传基因保存的范围在更大范围内如何仍然是一项基本任务。尽管芽孢杆菌物种复合体为解决这些问题提供了一个很好的框架，但分析一个更大的物种复合体将大有裨益，因为在这个物种复合体中，生殖策略之间发生了多次转变，”Forni指出。

“虽然我们常常需要依靠模型物种来发现和剖析生物过程，但更重要的是在更广泛的背景下检验我们的假设。只有我们投入更多精力来观察和分析生物的惊人多样性及其复杂的适应性，这才有可能。”