科学家提出性染色体的“四阶段”演化模型

在自然界，决定雌雄的方式差别很大。部分鳄类主要看孵化温度；人类看染色体，雌为XX，雄为XY；鸟类也看染色体股票杠杆公司，但雌为ZW，雄为ZZ。同样是染色体决定，为何有的走XY路径、有的走ZW路径？日前，浙江大学生命演化研究中心张国捷团队与中国科学院昆明动物研究所施鹏团队合作，以壁虎为对象，系统揭示了决定雌雄的性染色体从诞生到稳定的演化规律，提出“四阶段”演化模型。相关成果28日发表在国际学术期刊《科学》上。

研究团队选择壁虎寻找答案，因为在壁虎类群里，既有看温度决定雌雄的物种，也有XY、ZW两种染色体决定方式，而且相关染色体年龄差异很大。在对22种壁虎进行比较分析、覆盖壁虎科已知约70%的独立起源事件后，研究显示，壁虎共同祖先约在1.91亿年前与其他蛇类、蜥蜴分开，当时很可能没有决定雌雄的染色体，主要靠环境决定。研究涉及的20个由染色体决定雌雄的壁虎物种，其关键性染色体来自17条不同的祖先染色体；即使来自同一条祖先的染色体，不同类群中发生分化的区域也各不相同——这说明壁虎的这类染色体是在演化史上多次独立形成的。

研究表明，这些性染色体形成时间并不均匀：最古老的约5445万年前，最年轻的约590万年前，但有一批集中出现在1200万至700万年前——这一窗口正对应地球“中新世中期气候转变期”，当时全球明显降温、干旱化，栖息地破碎化。研究人员认为，气候波动可能带来选择压力，推动部分物种从“看天气决定雌雄”转向“看基因决定雌雄”，形成一次“染色体诞生潮”。

进一步研究显示，一条普通染色体最终走向XY还是ZW，并非完全随机。如果某条祖先染色体上含有较多与睾丸有关的基因，那么更容易演化为ZW系统；反之，则更容易形成XY系统。这一规律在壁虎以及哺乳动物、鸟类、爬行动物等羊膜动物中较为普遍，但在鱼类、两栖动物中不明显。

基于上述证据，研究团队提出“四阶段”演化假说：第一阶段，气候波动使依赖温度决定性别的物种面临风险，基因决定性别的方式获得优势；第二阶段，被“选中”决定性别的染色体本身基因构成会影响未来往XY还是ZW方向演化；第三阶段，染色体逐步分化，形成X与Y（或Z与W）；第四阶段，Y或W持续退化，并与表达补偿机制共同锁定系统，使后续更换成本很高。研究团队认为，这一模型将气候变化、基因组特征和染色体演化联系起来，说明脊椎动物多样的雌雄决定方式并非完全偶然，而是环境压力与基因组特性共同塑造的结果。

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从“看天气”到“看基因”——决定雌雄的染色体为何集中诞生？

在研究团队看来，这项研究的突出价值，是提出一个“四阶段”模型，把决定雌雄的染色体起源放进气候变化和基因组特性共同作用的框架中。

壁虎是一个“活实验室”：同一类群里，既有靠温度决定雌雄的物种，也有XY、ZW两种染色体决定方式。研究发现，历史上的气候变化可能推动了性别决定从环境依赖到遗传依赖的转变。如对依赖温度的物种来说，温度不稳可能导致后代雌雄比例失衡——相比之下，由基因决定更稳定，也更容易被自然选择保留。

更关键的是，一条普通染色体最终走向XY还是ZW，并不是掷骰子。研究显示，如果某条祖先染色体上含有较多倾向在睾丸里表达的基因，更容易成为ZW系统中的Z染色体；反之，则更容易成为XY系统中的X染色体。这一规律在哺乳动物、鸟类、爬行动物等羊膜动物中普遍存在。也就是说，染色体自身的基因构成，已经为未来方向埋下伏笔。

进入分化阶段后，Y或W染色体会逐渐退化，但生物会演化出表达补偿机制，使雌雄之间基因表达不至于失衡。随着时间推移，这种系统像锁扣一样越来越难更换，因此大多数物种会长期保留既有方式。

浙江大学生命演化研究中心张国捷教授指出，这一模型提示，脊椎动物雌雄决定方式虽然多样，但并非完全偶然，而是环境压力与基因组特性共同塑造的可预测结果。因此，该研究也为理解生物如何应对气候波动，以及雌雄决定方式为何如此多样，提供了新视角。