从染色体数目和配对联会角度分析动物远缘杂交雄性不育的研究进展

杨童奥，杨雅涵，杨福合，邢秀梅，宋兴超，宋姗姗

(中国农业科学院特产研究所特种经济动物分子生物学国家重点实验室，长春?130112)

远缘杂交是指种间、属间以及亲缘关系更远的生物类型间的杂交[1]。远缘杂交可以促进不同生物类型间的基因交流，改变后代的基因型和表现型。在基因型层面上，远缘杂交可以导致后代染色体和DNA变异；在表现型层面上，远缘杂交可以整合亲本的优点，使后代表现出杂种优势[2]。远缘杂交有利于新物种的形成[3～5]，但是由于远缘杂交多存在生殖隔离，因此杂交后代多表现为雄性不育[6，7]。

本文将从减数分裂角度对国内、外研究较多的几种动物远缘杂交雄性不育文献进行归纳分析，旨在为今后开展动物远缘杂交雄性不育研究提供参考。

1 减数分裂

哺乳动物减数分裂时，染色体复制1次，细胞分裂2次，因此子细胞染色体数目只有亲本细胞的一半。减数分裂的连续进行保证了染色体的正常分裂，最终形成正常的配子[8]。

减数分裂分为减数分裂Ⅰ期和减数分裂Ⅱ期，2次分裂各自又被分为前期、中期、后期和末期[9]。减数分裂前期Ⅰ，即减数分裂Ⅰ期前期，根据染色体的形态变化又被分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期5个时期。偶线期，同源染色体配对，形成联会复合体；粗线期，完全配对的非姐妹染色单体之间进行同源重组和交叉，促进基因的交换和重组。

减数分裂过程受到严格的调控。Stra8与减数分裂前DNA复制和减数分裂前期相关[10]。胚胎期雄性生殖细胞中Nodal抑制减数分裂过程，Nodal作为TGF-β家族的成员，抑制Stra8表达和小鼠胚胎睾丸减数分裂起始[11]。Boule能直接作用于Stra8，表明Boule可能促进减数分裂的起始[12]，而Nanos3同样参与减数分裂的启动[13]。将Daz和Dazl转入Dazl基因缺陷鼠发现，二者均可使鼠在细线期和偶线期产生精母细胞，但是不能进入分裂期和分裂后期[14]。DDX4基因为哺乳动物生殖细胞特异表达基因，与精子发生减数分裂密切相关[15～17]。

2 联会复合体

联会复合体形成于减数分裂前期同源染色体的联会时期。联会复合体的完整性对于减数分裂过程十分重要，当敲除编码联会复合体侧轴蛋白的基因Scp2或Scp3时，雄性小鼠精母细胞发育停滞，主要原因是在偶线期，Scp1不能聚集，无法完成联会复合体的组装，导致精母细胞进入粗线期之前发育停滞甚至凋亡，不能产生精子，导致不育[18，19]。联会复合体中央轴成分缺失也会影响精子形成，在敲除Sycpl、Texl2、Tycel的小鼠中，在细线期联会复合体的侧轴蛋白可以表达，但由于中央轴成分的缺失导致联会复合体不能进行组装，不能形成有功能的联会复合体，导致雄鼠不育[20～22]。Spo11和Dmc1在犏牛睾丸中较牦牛和黄牛表达量低可能造成联会复合体减少[23]。

3 目前已有的远缘杂交中染色体数目和配对联会对可育性的影响

双亲亲缘关系的远近可能影响远缘杂交不育程度，双亲染色体数目、形态、结构的差异是影响杂种不育的关键因素[24]。

目前，关于动物远缘杂交不育多从组织学、生殖生理学和染色体等角度展开研究，且大都认为远缘杂交后代染色体和基因变异是主要原因[25]。

3.1 黄牛和牦牛种间杂交后代犏牛雄性不育研究

黄牛和牦牛分别属于哺乳纲偶蹄目牛科的牛属和牦牛属。黄牛和牦牛杂交后代犏牛1代～2代公牛不能产生精子，表现不育[26]，但是F3代公犏牛可以产生形态正常的精子[27]，F4代公犏牛可以产生正常的精子，所生后代公牛完全恢复生育能力[28]。

郭爱朴[26]研究发现，黄牛、牦牛以及犏牛的染色体数目相同，2n=60，染色体G带、C带以及长度等没有明显差异，只是Y染色体不同(黄牛为中央着丝粒染色体，牦牛和犏牛为亚中央着丝粒染色体)，因此推断，犏牛雄性不育是由于X染色体与Y染色体的平衡被打破，减数分裂异常，不能产生精子。张凯等[29]对尕里巴牛(母犏牛与牦牛或黄牛回交的后代)染色体核型分析发现，其染色体数目为2n=60，29对常染色体都是端着丝粒染色体，X性染色体和Y性染色体都是亚中央着丝粒染色体，表明尕里巴牛雄性不育与染色体数目无关，可能是由于异源的X染色体、Y染色体不能共存造成的。钟金城等[30]研究发现，牦牛和黄牛染色体多个基因位点上存在遗传变异，导致公犏牛在这些基因位点上平衡性失调造成不育。周继平等[31]推测，牦牛和黄牛在部分常染色体上的差异也可能导致公犏牛染色体不能配对，导致雄性不育。周阳等[32]研究发现，精子发生正常的牦牛睾丸组织DDX4基因mRNA表达水平显著高于雄性不育的犏牛。付永等[33]研究发现，Boule和Dazl基因在犏牛睾丸组织中表达量最低，这可能与犏牛精子发生过程中减数分裂调控相关。

3.2 马和驴的种间杂交后代骡子不育研究

马和驴分别属于哺乳纲奇蹄目马科马属的2个不同种。马和驴杂交后代骡子一般认为没有生育能力，但有报道指出，个别母骡具有生育能力。目前，关于马、驴和骡的染色体结构和核型分析已有很多研究。Richer[34]、雷初朝等[35]研究发现，马染色体数目2n=64，31对常染色体中，13对为亚中央着丝粒染色体，18对为端着丝粒染色体；X染色体为较大的亚中央着丝粒染色体，Y染色体为很小的端着丝粒染色体。

赖双英[36]、Benirschke等[37]研究发现，驴染色体数目2n=62，30对常染色体中，19对为亚中央着丝粒染色体，11对为端着丝粒染色体。X染色体为第4大亚中央着丝粒染色体，Y染色体为最小端着丝粒染色体。张静南[38]比较分析可育和不育骡子染色体发现，可育和不育骡子的染色体形态结构一半与马的单倍染色体相似，另一半与驴的单倍染色体相似。

Wodsedalek[39]研究认为，公骡不育可能是由于亲本染色体数目不同导致减数分裂阻滞，精子发生障碍，导致不育。Taylor[40]对胚胎期和新生骡研究发现，胚胎期生殖细胞发育和有丝分裂过程正常，但新生骡卵原细胞进行减数分裂时大部分凋亡，进一步验证了亲本染色体数目不同导致卵母细胞无法进行减数分裂产生正常卵子。随着个别母骡可育的报道相继出现[41～44]，Anderson[45]研究发现，母骡只有产生含有马或驴染色体的卵子时才能正常受精。Zong等[46]研究母骡生育的个体的染色体核型时发现，其染色体核型与亲本马或驴并不是完全相同的。Michie认为杂交后代形成了只含有母本染色体的正常单倍体卵子，导致后代可育。赵振民等[47]研究发现，个别性腺发育较好的个体可以产生外观正常或畸形的精子。

由于可育母骡发生比例很低，公骡即使产生正常精子也很难被发现[48]。

3.3 鸡和鹌鹑的属间杂交后代不育研究

鸡和鹌鹑分别属于鸟纲鸡形目雉科的鸡属和鹌鹑属，鸡和鹌鹑杂交是属间远缘杂交。鸡与鹌鹑杂交，胚胎期雌性全部死亡，孵化出壳的都是雄性且睾丸发育不正常，表现不育[25]。

孙永强等[49]、冯欣璐等[25]研究发现，杂交后代的染色体数目2n=78，与鸡和鹌鹑染色体数目相同，但染色体形态差异明显，认为可能是由于染色体形态结构差异导致杂种不育。

3.4 银黑狐、蓝狐杂交后代不育研究进展

银黑狐和蓝狐(又名北极狐)分别属于哺乳纲食肉目犬科的狐属和北极狐属。银黑狐和蓝狐杂交为属间远缘杂交。由于杂交狐具有明显的杂种优势，杂交狐体型和皮张尺寸比银黑狐和蓝狐大，因此售价高于银黑狐皮和蓝狐皮，具有较高的商业价值。目前，通过人工授精可以得到银黑狐和蓝狐杂交后代，但是正反交获得的杂交狐雄性不育。银黑狐由于存在B染色体变异，染色体数目2n=34-42[50]；蓝狐由于染色体存在着丝粒融合，染色体数目2n=48-50[51]。目前，已有的杂种狐F1代研究都只是蓝霜狐，即银黑狐♂×蓝狐♀的杂交F1代，研究发现，蓝霜狐染色体数目变化较大，2n=41+或42+(1-3)，主要取决于蓝狐母本是否存在着丝粒融合易位、父本银黑狐B染色体的数目[52]。

利用染色体显带技术研究发现，银黑狐、蓝狐以及蓝霜狐染色体臂的同源性正常，少数染色体同源性差可能是由于染色体臂间倒位和融合移位造成的。还有很少的染色体不具有同源性。银黑狐和蓝狐在染色体形态和数量上的差异很大，不能形成染色体平衡的配子，可以解释杂种狐不育[52]。通过在繁殖期采用镧穿透技术比较蓝狐、银狐、杂交狐血睾屏障的完整性，研究发现，杂种狐精子生成早期减数分裂停滞在粗线期[53]。应用光学显微镜及电镜对蓝霜狐联会复合体研究发现，蓝霜狐联会复合体形成多价体、双价体以及不对称轴结构，表明雄性杂种狐不育可能与2个亲本不同的染色体核型有关，导致染色体没有完全配对，或是染色体出现断裂[54]。

4 进一步研究方向

动物远缘杂交雄性不育是生殖隔离的体现，不育主要表现为生精障碍。但是解决雄性不育问题并非没有可能。对远缘杂交杂种一代染色体的进一步研究，有待于采用染色体带型分析(C带，G带)或借助染色体荧光原位杂交、超显微切割染色体等分子生物学技术。此外，随着分子生物学和生物信息学技术的不断发展，可以利用高通量测序技术筛选与减数分裂和精子发生过程相关的差异表达基因和蛋白质，通过基因和蛋白质水平进一步深入研究影响杂种不育的关键基因和蛋白质，从分子水平上探讨雄性不育的遗传机制，以期在不远的将来解决雄性不育问题。

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