遗传上相同的水蚤如何发育成不同性别？

　　

水蚤（Daphnia）是一种极小的甲壳类动物，广泛生活在淡水和咸水中。这种动物适应环境的能力非常强，这也许要归因于它们不寻常的表型可塑性，也就是说，尽管基因组成保持不变，但它们可以改变自己的形态或行为。

大型水蚤（Daphnia magna）是目前研究最多的。在它的表型可塑性中，性别决定也是人们最感兴趣的。之前的研究发现，孤雌生殖的雌性会检测环境变化，并通过倍半萜信号通路传递给卵母细胞，使其发育成雄性。

基因异构体的选择性使用被认为是控制不同表型的关键调节机制。近日，大阪大学的研究团队结合两种不同的RNA测序技术，揭示出某些基因在雄性和雌性水蚤体内产生不同的异构体。

这篇题为“Identification of gene isoforms and their switching events between male and female embryos of the parthenogenetic crustacean Daphnia magna”的论文于4月30日发表在《Scientific Reports》杂志上。

表型可塑性允许单个基因组产生不同的表型，这意味着水蚤可以在生理上适应水的盐度、温度及捕食者存在等变化。在真核生物中，通过外显子跳读和内含子保留等转录后调控，单个基因位点可以表达多个异构体（isoform）。

然而，这种异构体很难研究，因为大多数RNA测序技术只能读取非常短的RNA分子片段，然后依靠分析工具将序列拼接起来。这意味着不同异构体的细节会丢失。

为此，研究人员采用PacBio Iso-Seq长读长RNA测序技术，从大型水蚤性别决定过程中表达的9710个基因中鉴定出25000多条转录本。这些转录本的长度从0.3 kb到12.6 kb不等。

在这些转录本中，有14924条转录本（58.2%）是之前未发现的。在计算每个基因的异构体数量后，他们发现有5713个基因产生了两个或以上的异构体。

通过结合Illumina的短读长RNA测序数据，研究人员对产生多个异构体的基因开展了差异表达分析。在4638个产生多个异构体的基因中，他们发现有615个基因存在显著差异表达（DGE），并鉴定出122个表现出差异异构体使用（DIU）的基因。

此外，有824个基因在雌雄之间发生了主要异构体转换。在这824个基因中，他们发现水蚤的CREB调节转录辅激活因子（CRTC）基因存在异构体转换，而且这个转换事件与碳水化合物代谢基因的性别二态性有关。

第一作者、大阪大学的Yasuhiko Kato解释说：“单靠短读长测序无法发现这些信息。这种结合使用长读长和短读长测序的新方法揭示了水蚤转录中的细微差别。”

资深作者Hajime Watanabe补充说：“我们发现了以性别依赖的方式切换异构体表达的基因。这有助于我们了解水蚤表型可塑性背后的生物机制。”

这项研究揭示了水蚤性别二态性的分子基础，并为了解环境条件如何决定该物种的性别提供了工具。未来，这些发现有望推动甲壳类水产养殖业的进一步发展。