Reorganización del sexo ancestral

Biología de las comunicaciones volumen 6, Número de artículo: 590 (2023) Citar este artículo

3 Altmetric

Detalles de métricas

La coexistencia de tres fenotipos sexuales (macho, hembra y bisexual) en una sola especie, 'trioecy', rara vez se encuentra en organismos diploides como plantas con flores e invertebrados. Sin embargo, la trioecia en organismos haploides solo se ha informado recientemente en una especie de alga verde, Pleodorina starrii. Aquí, generamos datos del genoma completo de los tres fenotipos sexuales de P. starrii para revelar una reorganización de las regiones determinantes del sexo (SDR) ancestrales en los cromosomas sexuales: los fenotipos masculino y bisexual tenían el mismo "SDR masculino" con paralogous expansiones genéticas del gen determinante masculino MID, mientras que el fenotipo femenino tenía un "SDR femenino" con transposición del gen FUS1 específico femenino a regiones autosómicas. Aunque los fenotipos de sexo masculino y bisexual tenían el SDR masculino idéntico y albergaban FUS1 autosómico, la expresión de MID y FUS1 durante la reproducción sexual difería entre ellos. Así, es posible la coexistencia de tres fenotipos sexuales en P. starrii.

Los biólogos evolutivos han estudiado cómo ocurre la reproducción sexual dentro de una especie y cómo han evolucionado los diferentes sistemas de apareamiento desde la época de Charles Darwin. Generalmente se reconocen dos sistemas básicos de apareamiento, dioecia y hermafrodita (cosexualidad o monoecia)1. El primero incluye dos fenotipos sexuales separados (masculino y femenino), mientras que el segundo tiene solo un fenotipo sexual único que produce gametos tanto masculinos como femeninos. Las transiciones entre estos dos sistemas se reconocen con frecuencia en eucariotas haploides y diploides1,2. Además de estos sistemas de apareamiento, se conocen tres sistemas intermedios o mixtos en especies diploides en los que coexisten individuos unisexuales y bisexuales, a saber, la ginodioecia (hembra unisexual y bisexual), la androdioecia (macho unisexual y bisexual) y la trioecia (macho unisexual, hembra unisexual). , y bisexuales) (Tabla complementaria 1). La trioecia es muy rara en el árbol de la vida, y la genética de la determinación del sexo solo se ha diseccionado en un número muy pequeño de especies, incluido el nematodo Auanema3,4 y la planta con flores Carica papaya5,6.

En algas y hongos haploides se conocen sistemas de apareamiento heterotálicos y homotálicos7. El sistema de apareamiento heterotálico tiene dos fenotipos sexuales que son genéticamente diferentes: el macho unisexual forma solo gametos masculinos y la hembra unisexual solo forma gametos femeninos. El sistema de apareamiento homotálico tiene un genotipo de un solo sexo que forma gametos tanto masculinos como femeninos y es autocompatible dentro de un clon. Sin embargo, los sistemas de apareamiento mixto, como "trioecy", no se habían informado en especies haploides hasta hace poco (Tabla complementaria 2)8.

El sexo está determinado por regiones determinantes del sexo (SDR) en los cromosomas sexuales haploides U (femenino) o V (masculino) en especies heterotálicas de algas haploides y briófitas9. En los SDR, se suprime la recombinación y las secuencias del genoma difieren entre machos y hembras. Los SDR albergan gametólogos (genes homólogos compartidos entre los SDR masculinos y femeninos) y genes específicos del sexo que solo están presentes en los SDR masculinos o femeninos. En las algas verdes volvocine, se han identificado SDR en seis especies heterotálicas en base a análisis comparativos de genomas10,11,12,13. Los SDR del tipo de apareamiento minus (MT−) en especies isógamas y machos albergan el gen determinante del tipo de apareamiento minus MID10,14,15. Por otro lado, los SDR de tipo de apareamiento plus (MT+) en especies isógamas y hembras generalmente albergan el gen de la proteína de membrana específica del gameto plus FUS111,12,13,16,17. Además de MID y FUS1, se identificaron varios genes específicos de sexo en el linaje volvocine, incluido MTD1, que es necesario para la gametogénesis masculina11,13,18. Con frecuencia se han encontrado homólogos de genes específicos del sexo, como MTD1 y gametólogos, en regiones autosómicas de algunas especies de volvocinos heterotálicos12.

Recientemente identificamos una especie triica haploide, el alga verde volvocine Pleodorina starrii, de un sistema acuático japonés que tiene tres fenotipos sexuales: masculino unisexual (que produce colonias masculinas sexuales que forman solo gametos masculinos), femenino unisexual (que produce colonias femeninas sexuales que forman solo gametos masculinos). gametos femeninos) y fenotipos bisexuales (con colonias tanto masculinas como femeninas) (Fig. 1)8. Los experimentos de cruce entre fenotipos unisexuales y bisexuales de cepas de cultivo de P. starrii revelaron un posible sistema genético que puede determinar los tres fenotipos sexuales en función de dos loci independientes: el SDR putativo en el cromosoma sexual y el factor bisexual (BF) en el autosoma (Fig. . 1). Los fenotipos masculino y bisexual tienen el "SDR masculino putativo" idéntico, mientras que el fenotipo femenino alberga el SDR femenino putativo. BF juega un papel en la determinación del fenotipo bisexual en presencia del SDR masculino putativo (Fig. 1). Este es un tipo único de determinación del sexo19. Sin embargo, las características genéticas moleculares de SDR y BF en P. starrii no se han dilucidado.

Tenga en cuenta que el fenotipo masculino unisexual tiene una supuesta región determinante del sexo masculino (SDR, azul) en el cromosoma sexual V y carece del factor bisexual (BF) en los autosomas. El fenotipo bisexual tiene un SDR masculino putativo, pero también tiene un BF en los autosomas. El fenotipo femenino unisexual tiene un SDR femenino putativo (rosa) en el cromosoma sexual U y alberga o carece de BF. Los rectángulos amarillos y grises representan los cromosomas sexuales y los autosomas, respectivamente. sp paquete de esperma (paquete de gametos masculinos), mg gameto masculino, fg gameto femenino. Todas las barras de escala = 50 µm.

El presente estudio se llevó a cabo para dilucidar la base genética molecular del sistema de apareamiento haploide con tres fenotipos sexuales de P. starrii mediante la generación de secuencias del genoma completo de novo de los tres fenotipos sexuales. Nuestros análisis genómicos comparativos resolvieron características inusuales de genes relacionados con el sexo y cromosomas sexuales en P. starrii. Los resultados sugirieron una base genómica para la coexistencia de tres fenotipos sexuales en una sola especie haploide y reorganizaciones genómicas del sistema ancestral de determinación del sexo heterotálico durante la evolución de tres fenotipos sexuales en P. starrii.

Generamos genomas nucleares completos de tres fenotipos sexuales de Pleodorina starrii (Fig. 1) ensamblando lecturas de secuenciación larga PacBio de alta fidelidad en contigs (ver Métodos). Después de pulir los contigs con lecturas cortas de Illumina, cada genoma estaba compuesto por 95–288 contigs sin espacios (N50 = 0,83 a 3,12 Mbp). Las longitudes totales fueron de aproximadamente 130 Mbp (Tabla complementaria 3), de acuerdo con los tamaños del genoma predichos (Figura complementaria 1). La cantidad estimada de genes codificadores de proteínas respaldados por datos de secuenciación de ARN fue de aproximadamente 17,000–18,500 (Tabla complementaria 3). Para evaluar las anotaciones del genoma, realizamos un análisis comparativo de ortólogos universales de copia única (BUSCO) (ver Métodos), que produjo valores de 97.3–98.2% (Tabla complementaria 3). La integridad de las tres secuencias del genoma completo fue alta en función de la presencia de la mayoría de los genes de referencia BUSCO (97,3–98,2 % de genes completos) (Tabla complementaria 3). Además, la ploidía se estimó en función de las frecuencias de k-mer utilizando GenomeScope20, y los histogramas de k-mer mostraron picos únicos claros que demostraron inequívocamente la haploidía entre los tres fenotipos sexuales (Fig. 1 complementaria).

Para examinar las bases genéticas de los tres fenotipos sexuales de P. starrii, examinamos sus SDR utilizando los tres genomas completos. La aplicación de la herramienta básica de búsqueda de alineamiento local (BLAST N; Centro Nacional de Información Biotecnológica) a PlestMID8,15 y los datos del genoma completo masculino identificaron un contig (male contig_4) que alberga MID. Al comparar el contig_4 masculino con los datos del genoma completo femenino, identificamos un contig (contig_4 femenino) que tenía dos regiones separadas casi idénticas a las del contig_4 masculino. El análisis de puntos de contig_4 masculino y contig_4 femenino reveló SDR masculinos y femeninos flanqueados por dos regiones [regiones pseudoautosómicas (PAR)] que eran casi idénticas (Fig. 2 complementaria). Los SDR masculinos y femeninos tenían una longitud de aproximadamente 187 y 137 kbp, respectivamente, y mostraban tres regiones invertidas (que miden aproximadamente la mitad del SDR en total) (Fig. 2a; Fig. 2 complementaria). El análisis comparativo de contig_4 masculino, contig_4 femenino y los datos del genoma completo del fenotipo bisexual reveló un contig del fenotipo bisexual (contig_12 bisexual) que albergaba un SDR flanqueado por PAR. El análisis de puntos de los cóntigos bisexual_12 y male_4 reveló que sus SDR y PAR eran idénticos (Fig. 2a; Fig. 3 complementaria). Por lo tanto, el genotipo bisexual tiene un SDR masculino con PlestMID (Fig. 2a, b), como lo sugieren experimentos previos de entrecruzamiento8.

a Comparación de SDR y regiones adyacentes de tres fenotipos sexuales. Las regiones azul claro y rosa representan los SDR masculinos y femeninos, respectivamente. Los genes con fondo azul oscuro y rojo representan genes específicos masculinos y femeninos, respectivamente. Las regiones amarillas representan regiones pseudoautosómicas. El sombreado gris indica un bloque sinténico. b Filogenia de homólogos de MID en el linaje volvocino, inferida en base a 142 secuencias de aminoácidos deducidas por el método de máxima verosimilitud (ML) utilizando el modelo JTT + G. El azul representa genes específicos de tipo masculino o de apareamiento menos. El negro representa homólogos de especies homotálicas. Todas las posiciones que contenían lagunas y datos faltantes se eliminaron de la alineación. Las longitudes de las ramas son proporcionales a las distancias evolutivas indicadas por la barra de escala. Los números a la izquierda y a la derecha sobre las ramas indican valores de arranque (BV) de ML (≥50%) y probabilidades posteriores (PP) de inferencia bayesiana (≥0,90), respectivamente. Los asteriscos en las sucursales indican 100% BV y 1.00 PP según los dos métodos. c Comparación de regiones autosómicas que albergan homólogos de FUS1 de tres fenotipos sexuales. El sombreado gris indica un bloque sinténico. d Filogenia de homólogos de FUS1 en el linaje volvocine, inferida en base a secuencias de 501 aminoácidos deducidas por ML usando el modelo LG + G + I. El rosa representa el tipo de apareamiento más genes específicos o específicos de hembras dentro de un SDR o posible SDR. El púrpura indica genes autosómicos alojados en todos los fenotipos sexuales de cada especie. Para los demás, véase (b). e Filogenia de homólogos de MTD1 en el linaje volvocine, inferida en base a secuencias de 495 aminoácidos deducidas por el método ML utilizando el modelo JTT + G. El púrpura indica genes autosómicos alojados en todos los fenotipos sexuales de cada especie. Para los demás, véase (b).

Los SDR masculinos y femeninos compartieron 14 gametologs (PSMT01-13 y LEU1S). PSMT09 y LEU1S estaban duplicados en el SDR masculino, mientras que tres parálogos de PSMT08 estaban presentes en el SDR femenino. Todos estos parálogos parecían genes funcionales. Los SDR masculinos y femeninos albergaban 10 genes específicos de hombres (PSM01-07, MID, ψ-MID_1 y ψ-MID_2) y seis genes específicos de mujeres (PSF01-06), respectivamente. A diferencia de otras especies de volvocine heterotálicos 10,11,12,13, el SDR femenino carecía de FUS1 y el SDR masculino contenía tres parálogos de MID (Fig. 4 complementaria). Uno de los tres parálogos MID era funcional y codificaba la secuencia completa de la proteína MID (163 aminoácidos), mientras que los otros dos eran pseudogenes que codificaban solo 75 o 120 aminoácidos (Fig. 4 complementaria). Otros genes específicos de machos carecían de dominios putativos conservados excepto PSM03, que tiene el dominio de interacción proteína-proteína FTP (anguila-fucolectina faquilectina-4 pentaxrina-1). BLASTP de estos genes específicos masculinos que carecen de dominios conservados como consultas [valor e máximo de corte: 1e-10] mostró su similitud con la "proteína hipotética". Entre los seis genes específicos de mujeres, se identificó un dominio conservado solo en PSF06 [dominio PRK12678 (factor de terminación de transcripción Rho)]. Otros cinco genes específicos de mujeres no tenían homólogos según el análisis BLASTP [valor e máximo de corte: 1e-10].

Además, la divergencia de los gametólogos entre los SDR masculinos y femeninos se calculó mediante sustituciones sinónimas y no sinónimas (dS y dN, respectivamente) y se comparó con otras especies de volvocine (Figura 5 complementaria). Las tasas de dS y dN fueron bajas en P. starrii (<0,15). Todos los valores de dN/dS (ω) en P. starrii fueron <1,0. Excepto LEU1S (Fig. 6 complementaria), todos los gametólogos en P. starrii carecen de genes homólogos en otras algas volvocine. Dichos gametólogos en P. starrii no pueden alinearse con secuencias homólogas de otras algas verdes volvocine. Por lo tanto, la prueba basada en codones para la selección positiva solo se examinó en LEU1S, lo que sugiere que no hay selección positiva en LEU1S (Tabla complementaria 4). Dado que la divergencia de sinónimos entre gametólogos en P. starrii es bastante baja y la mayoría de los gametólogos en P. starrii se localizan dentro de las regiones invertidas (Figs. 2, 5 complementarias), esto sugiere un origen reciente de P. starrii SDR o una conversión genética reciente (regiones invertidas) entre SDR masculinos y femeninos.

Los SDR masculinos tenían un contenido de GC más bajo, una densidad de genes más baja y una tasa de repetición más alta que el genoma total, lo cual es característico de los SDR típicos10,11,12,13. Sin embargo, el contenido de GC, la densidad de genes y la tasa de repetición fueron casi idénticos entre los SDR femeninos y el genoma total (Tablas complementarias 3, 5).

El análisis de los tres genomas completos reveló que cada genotipo sexual tenía FUS1 en la región autosómica, aunque FUS1 suele estar presente en el SDR femenino en otras especies de volvocine11,12,13,21. FUS1 estaba presente en contig_71 masculino, contig_82 femenino y contig_5 bisexual (Fig. 2c, d). Las comparaciones de diagramas de puntos mostraron que las secuencias de las regiones que rodean a FUS1 eran casi idénticas entre los tres fenotipos sexuales (Fig. 7 complementaria). La reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa (RT-PCR) también reveló la estructura exón-intrón de FUS1, y la secuencia de la región codificante era idéntica entre los tres fenotipos sexuales (Fig. 8 complementaria). La secuencia de aminoácidos tenía una secuencia de señal, un dominio transmembrana y cinco repeticiones de tipo inmunoglobulina, como en otras especies de volvocine12,13 (Fig. 9 complementaria), lo que sugiere que el ortólogo FUS1 de P. starrii puede funcionar como un factor de adhesión de gametos. como en Chlamydomonas reinhardtii17.

También examinamos dos genes conservados relacionados con el sexo, MTD112,13 y GCS1/HAP222, en P. starrii. Se cree que MTD1 regula la MID en Chlamydomonas reinhardtii y se encuentra en varias especies de volvocine. MTD1 es específico de los machos (presente en el SDR macho) en la especie volvocina oógama Volvox reticuliferus o se encuentra en el PAR adyacente al SDR en Y. unicocca y Eudorina sp12,13.

En los tres fenotipos sexuales de P. starrii, MTD1 se localizó en el PAR (Fig. 2a; Fig. 10 complementaria). La secuencia de aminoácidos deducida de P. starrii MTD1 mostró una estructura de exón-intrón conservada y múltiples dominios repetidos tipo armadillo/beta-catenina (Figs. 11, 12 complementarias), lo que sugiere una similitud funcional entre las especies de volvocina. El análisis filogenético de MTD1 sugirió múltiples transposiciones de MTD1 entre SDR y PAR durante la evolución de volvocine (Fig. 2e).

GCS1/HAP2 es un factor de fusión de gametos transmembrana único que contiene HAP2-GCS1 y funciona específicamente en machos y MT isogámicos22, aunque los homólogos de GCS1 se localizan en regiones autosómicas de algas volvocine10,11,12,13. Curiosamente, GCS1 en P. starrii se expandió para representar siete parálogos agrupados dentro de una secuencia genómica de aproximadamente 100 kbp en regiones autosómicas en los tres fenotipos (Fig. 3a, b). Además, el grupo se duplicó y se encontró en dos contigs diferentes en el genotipo bisexual (bisexual contig_1 y contig_7) (Fig. 13 complementaria). Sin embargo, si tal duplicación estaba presente o ausente era ambiguo en los genomas masculino y femenino debido a los cóntigos cortos que albergaban el grupo en los conjuntos de datos del genoma masculino y femenino y secuencias casi completamente idénticas entre los dos grupos GCS1 en el genoma bisexual (Fig. 13). El análisis de diagrama de puntos mostró que la secuencia del genoma de aproximadamente 130 kbp que contenía el grupo GCS1 era casi idéntica entre los tres fenotipos sexuales (Fig. 13b complementaria). Cada grupo estaba compuesto por siete parálogos dispuestos en tándem y cada parálogo tenía un dominio HAP2-GCS1 conservado, mientras que las secuencias sin dominio y las estructuras de exón-intrón se diversificaron entre parálogos dentro del grupo (Fig. 3b; Figs. Suplementarias 14, 15). El análisis filogenético sugirió que los siete parálogos constituían un grupo monofilético, lo que sugiere su diversificación o expansión después del origen de P. starrii o su ancestro reciente (Fig. 3c). Se necesitan más datos del genoma para GCS1 en algas volvocine estrechamente relacionadas con P. starrii para dilucidar completamente el origen de los siete parálogos en P. starrii.

un diagrama del grupo GCS1/HAP2 localizado dentro de una región autosómica de 100 kpb de tres fenotipos sexuales (Fig. 13 complementaria). b Estructuras exón-intrón de los siete parálogos del macho unisexual. Los recuadros llenos y abiertos representan secuencias de exones y secuencias no codificantes (UTR), respectivamente. Las líneas entre cajas indican secuencias de intrones. El número sobre el cuadro indica el exón homólogo en GCS1_1. Los números debajo de los recuadros y las líneas indican el número de nucleótidos. Las regiones azul claro representan las secuencias codificantes del dominio HAP2-GCS1. También se indican las posiciones de los cebadores específicos de GCS1_1 (Tabla complementaria 10) utilizados para el análisis de PCR cuantitativa de transcripción inversa (RT-qPCR) (Fig. 4). c Filogenia de siete parálogos de P. starrii en el linaje volvocine, inferida de las secuencias de aminoácidos de GCS1 (698 aminoácidos, consulte la Fig. 15 complementaria) deducidas mediante el método de máxima verosimilitud (ML) utilizando el modelo WAG + G + I. Todas las posiciones alineadas se usaron para el análisis ML (opción MEGAX, tratamiento de lagunas/datos faltantes: usar todos los sitios). Las longitudes de las ramas son proporcionales a las distancias evolutivas indicadas por la barra de escala. Los números a la izquierda y a la derecha sobre las ramas indican valores de arranque (BV) de ML (≥50%) y probabilidades posteriores (PP) de inferencia bayesiana (≥0,90), respectivamente. Los asteriscos en las sucursales indican 100% BV y 1.00 PP según los dos métodos.

Para investigar la expresión de los cuatro genes relacionados con el sexo MID, FUS1, MTD1 y GCS1 en los tres fenotipos sexuales, se realizaron análisis de PCR cuantitativa de transcripción inversa (RT-qPCR) utilizando colonias asexuales y sexuales en los tres fenotipos sexuales (consulte Métodos ). La expresión de MID aumentó en colonias masculinas y colonias asexuales, en genotipos masculinos y bisexuales unisexuales en condiciones inducidas sexualmente, en comparación con colonias asexuales cultivadas en condiciones no inducidas sexualmente (Fig. 4). La regulación positiva de MID fue mayor en colonias masculinas de genotipos masculinos y bisexuales unisexuales en comparación con colonias asexuales en las mismas condiciones inducidas sexualmente. La expresión de MTD1 y GCS1 aumentó en colonias masculinas de genotipos masculinos y bisexuales unisexuales, pero no en el genotipo femenino unisexual (Fig. 4). Así, aunque estos dos genes estaban presentes en la región autosómica y albergaban los tres fenotipos sexuales, la expresión puede estar relacionada con los gametos masculinos (MT− en especies isógamas), como en otras especies de volvocina12,18,22.

Expresión normalizada de cuatro genes relacionados con el sexo en colonias asexuales y sexuales de P. starrii en relación con la expresión de la colonia sexual masculina unisexual (colonia masculina) para MID, MTD1 y GCS1_1 y la colonia sexual femenina unisexual (colonia femenina) para FUS1. Las barras muestran el error estándar de la media (SEM). *, ninguna expresión detectada; –, no inducido sexualmente; +, sexualmente inducido; una colonia asexual; m, colonia masculina; f, colonia femenina. Para conocer los datos numéricos originales, consulte Datos complementarios 2.

Como muestran nuestros datos de genoma completo, P. starrii es único en el sentido de que FUS1, un gen específico de hembra conservado en otras especies de volvocina, estaba presente en una región autosómica en los tres fenotipos sexuales. Sin embargo, la expresión de FUS1 en P. starrii fue fuertemente suprimida en el genotipo masculino incluso cuando el cultivo fue inducido sexualmente. En genotipos bisexuales y femeninos, la expresión de FUS1 aumentó en colonias femeninas inducidas sexualmente. Estos resultados sugirieron una diferencia en la regulación de la expresión de FUS1 entre los fenotipos bisexuales y masculinos. En Chlamydomonas reinhardtii, la transformación de MID en el genotipo MT+ (con FUS1) da como resultado una fuerte supresión de FUS114. Sin embargo, tanto el genoma bisexual como el masculino de P. starrii albergan MID y FUS1. Por lo tanto, el genotipo masculino de P. starrii puede reflejar la misma regulación génica entre MID y FUS1 que en el MT+ transformado con MID de C. reinhardtii. En el genotipo bisexual de P. starrii, sin embargo, esta regulación o supresión de FUS1 por MID puede verse modificada por un factor desconocido específico del genotipo bisexual. Incluso bajo las mismas condiciones de inducción sexual del genotipo bisexual, la expresión de MID y FUS1 fue diferente entre las colonias de machos sexuales y hembras sexuales. Por lo tanto, la expresión de los genes relacionados con el sexo no es específica del genotipo sexual; más bien, representa la especificidad de la colonia masculina o femenina; los genes están críticamente regulados en el fenotipo bisexual para producir gametos tanto masculinos como femeninos en un solo genotipo haploide.

En las especies heterotálicas de volvocine, los fenotipos masculino y femenino están determinados por la presencia de SDR masculino y femenino, respectivamente, y cada SDR alberga un gen específico del sexo que juega un papel fundamental en la formación y función de los gametos masculinos o femeninos; este gen es MID en el SDR masculino y FUS1 en el SDR femenino10,11,12,13. Por lo tanto, no se permite la formación de gametos tanto masculinos como femeninos en cada genotipo sexual (con SDR masculino o femenino) de las especies heterotálicas. Por el contrario, los datos de nuestro genoma demostraron claramente que el genoma haploide de P. starrii tiene el SDR masculino con MID o SDR femenino sin FUS1, mientras que FUS1 está posicionado en la región autosómica (Fig. 2). Estas características genómicas fundamentales pueden permitir que el genotipo haploide de P. starrii produzca gametos masculinos y femeninos dentro del genotipo con el SDR masculino. Por lo tanto, las bases genéticas o genómicas moleculares para los tres fenotipos sexuales en la única especie haploide P. starrii podrían haberse establecido principalmente por la transposición de FUS1 del SDR femenino ancestral a la región autosómica para localizar tanto el SDR masculino (con MID) como el FUS1. en un único genoma haploide de genotipos masculino y bisexual.

Aunque el presente estudio demostró que los genotipos masculino y bisexual de P. starrii tienen MID y FUS1 (Fig. 2a, c), la expresión de estos genes relacionados con el sexo difiere a nivel de colonia (Fig. 4). Por lo tanto, diferentes mecanismos reguladores de MID y FUS1 deben haber evolucionado entre fenotipos masculinos y bisexuales durante el origen de la trioecia de P. starrii. Esta diferencia de regulación transcripcional puede deberse a la presencia o ausencia de BF, que se predice que existe en la región autosómica del fenotipo bisexual según los experimentos de entrecruzamiento anteriores8 (Fig. 1). Por lo tanto, la determinación del sexo en P. starrii probablemente se base en la modificación del sistema heterotálico típico con SDR masculino y femenino mediante la adquisición de dos genes sexuales autosómicos, FUS1 y "BF" (Fig. 1). Esta situación es similar a la determinación poligénica o multifactorial del sexo en la mosca doméstica Musca domestica23,24,25. M. domestica tiene cromosomas sexuales X e Y. En el estado ancestral, el sexo estaba determinado por la presencia o ausencia de un locus determinante masculino (factor M) en el cromosoma Y25. Por lo tanto, los machos típicos son XYM y las hembras son XX. Sin embargo, en poblaciones naturales se pueden encontrar machos con el factor M en los autosomas (AM) o en el cromosoma X (XM)25. La frecuencia estable de AM encontrada en poblaciones naturales de M. domestica durante 30 años sugiere que el sistema poligénico de determinación del sexo de la mosca doméstica no está en transición25. Se espera que los datos de campo a largo plazo sobre los tres fenotipos sexuales de P. starrii determinen si la trioecia representa un estado transitorio o no.

En este estudio se encontraron otras características genómicas inusuales de P. starrii. Primero, había parálogos múltiples o expandidos de MID y GCS1. Aunque se encontraron dos parálogos de GCS1 en Volvox carteri26, los parálogos de GCS1 repetidos en tándem dentro del grupo no se han informado previamente en genomas eucarióticos. En las seis especies heterotálicas de volvocina examinadas previamente mediante el análisis de los datos del genoma completo, solo un único ortólogo MID está presente en el macho (o MT- en especies isógamas) SDR. Sin embargo, se identificaron tres parálogos de MID en el SDR masculino de P. starrii, dos de los cuales son pseudogenes (Fig. 2a). La especie volvocina homotálica Volvox africanus tiene un grupo de cinco parálogos MID dispuestos en tándem, pero los cinco tienen secuencias idénticas que abarcan las regiones codificantes completas13. Los pseudogenes, que surgen principalmente de la duplicación de genes, tienen una variedad de funciones que incluyen la regulación de la transcripción de genes afines por ARN27 antisentido y la producción de ARN28 de interferencia pequeño. Dichos mecanismos pueden desempeñar un papel en la regulación transcripcional diferencial de MID, GCS1 y sus genes relacionados con el sexo aguas abajo entre los tres fenotipos sexuales en P. starrii (Fig. 1). Por lo tanto, la expansión paráloga de MID y GCS1 puede haber sustentado el origen de la trioecia en P. starrii. En segundo lugar, el SDR femenino no exhibió las características compartidas por los SDR heterotálicos de volvocine13, como el contenido de GC y las tasas de repetición (Tablas complementarias 3, 5), como se discutió anteriormente. La transposición de FUS1 del SDR femenino ancestral a la región autosómica podría haber modificado las características del genoma del SDR femenino, pero se desconocen las razones del SDR femenino inusual en P. starrii. Sin embargo, uno solo podría especular que durante la evolución de la trioecy, el SDR femenino puede haber perdido los procesos por los cuales los SDR en los sistemas haploides tienden a evolucionar de manera diferente al resto del genoma9.

Las especies homotálicas pueden haber evolucionado repetidamente a partir de ancestros heterotálicos entre las algas volvocinas29. Con base en el análisis filotranscriptómico reciente de algas volvocine30, P. starrii trioica y P. indica heterotálica constituyen un pequeño clado que pertenece a un gran grupo monofilético (grupo Pst-Vpow) con dos cepas de cultivo homotálico de Eudorina elegans (NIES-458 y NIES -568)31, homothallic Volvox powersii, heterothallic V. gigas y E. elegans cepa FACHB-2321 de sexualidad desconocida32 (Fig. 16 complementaria). Por lo tanto, la transición de un sistema de apareamiento heterotálico a homotálico podría haber ocurrido al menos una vez durante la evolución del grupo Pst-Vpow. El presente estudio de genoma comparativo demostró claramente que el sistema de apareamiento trioico en P. starrii se estableció en base a características genómicas fundamentalmente distintas (p. ej., FUS1 autosómico, MID expandido y SDR femenino inusual). Por lo tanto, la trioecy de P. starrii puede no ser una versión ligeramente modificada del sistema de apareamiento del heterotalismo habitual que se encuentra en las algas volvocine; más bien, puede haber evolucionado en base a la reorganización del genoma de las especies heterotálicas ancestrales antes de la divergencia de P. starrii dentro del grupo Pst-Vpow. Por lo tanto, la genómica comparativa adicional de las especies de volvocine estrechamente relacionadas con P. starrii puede resolver las bases genómicas comunes para la evolución de la trioecia y el homotalismo dentro del grupo Pst-Vpow.

Nuestro estudio resolvió las características genómicas inusuales de las especies trioicas Pleodrina starrii, incluida la transposición de FUS1 de la SDR femenina a la región autosómica, las expansiones parálogas de MID y GCS1, y la baja GC y la baja SDR femenina rica en repeticiones. Como se discutió anteriormente, la transposición de FUS1 a la región autosómica de los tres fenotipos sexuales es la base genética fundamental para albergar el gen femenino FUS1 y el gen masculino MID en un único genoma haploide del fenotipo bisexual. Sin embargo, se desconoce el papel específico de otras características genómicas en la evolución y el mantenimiento de la trioecia. Además, nuestro análisis genético previo sugirió un factor putativo (BF) que determina el fenotipo bisexual en presencia del SDR masculino (Fig. 1). Uno podría especular que solo uno de estos es realmente suficiente, y que todos los demás son solo cambios neutrales que se acumularon más tarde sin consecuencias funcionales para el sistema de apareamiento.

Para la secuenciación del genoma completo de los tres fenotipos sexuales de Pleodorina starrii, NIES-1363 (macho unisexual15,33), NIES-4481 [= "2P1", hembra unisexual (sin BF basado en experimentos cruzados con un macho unisexual)8], y NIES-4479 (= "P85", bisexual8). Debido al mantenimiento a largo plazo de las culturas, la inducibilidad de la reproducción sexual ha disminuido en NIES-1363 y NIES-4479. Por lo tanto, se usaron cepas sexualmente activas alternativas, es decir, NIES-4480 (= "P7", unisexual male8) y NIES-4482 (= "P10", bisexual8), para secuenciación de ARN y análisis de expresión génica (ver más abajo). Todas las cepas se mantuvieron a 20 °C en tubos con tapón de rosca que contenían 10 ml de medio AF-631,34, en un programa de 14 h de luz: 10 h de oscuridad con lámparas fluorescentes de color blanco frío a una intensidad de 55–80 μmol· m−2·s−1.

Para preparar muestras asexuales de los tres fenotipos sexuales de P. starrii, se transfirieron 0,25 mL de un cultivo en crecimiento activo de cada fenotipo sexual en medio AF-6 a ​​10 mL de medio VTAC nuevo31,35 y se mantuvieron a 25 °C en un ambiente de 14 -h luz: programa de 10 h de oscuridad con lámparas fluorescentes de color blanco frío a una intensidad de 180–220 μmol·m−2·s−1 durante 3 días. Las muestras inducidas sexualmente se prepararon según lo descrito por Takahashi et al.8 con algunas modificaciones: un cultivo de 3 días de edad cultivado en 10 ml de VTAC + medio de suelo8 se mezcló con 20 ml de medio de apareamiento35 y 10 ml de medio de condición [líquido de macho unisexual sexualmente inducido]. cultivo filtrado a través de un filtro Millex-GP (0,22 µm, PES = 33 mm, no estéril; Merck-Sigma/Aldrich, Burlington, MA, EE. UU.)] en placas de Petri (20 × 90 mm) y crecido a 25 °C bajo un programa de 14 horas de luz: 10 horas de oscuridad con lámparas fluorescentes blancas frías a una intensidad de 180–220 μmol·m−2·s−1. Las colonias sexuales se desarrollaron en 1 (macho unisexual) o 2 días (hembra unisexual y bisexual).

Se prepararon muestras asexuales de tres fenotipos sexuales de P. starrii como se describe anteriormente. Se centrifugaron aproximadamente 300 ml de cultivo de un solo fenotipo a 3500 rpm durante 20 min utilizando un rotor basculante TOMY LC-100 (TOMY DIGITAL BIOLOGY CO., LTD., Tokio, Japón) para producir un sedimento o células o colonias concentradas. El sedimento se congeló en nitrógeno líquido y se trituró con una cuchara dosificadora hasta que se descongelaron las colonias. Después de descongelar, se añadieron a las células trituradas tampón de lisis de proteinasa K y H1 del kit de ADN de alto peso molecular NucleoBondTM (MACHEREY-NAGEL GmbH & Co. KG, Düren, Alemania). Cada muestra se incubó en un baño de agua a 50 °C durante 18 h. Los procedimientos posteriores se realizaron de acuerdo con los protocolos del fabricante del kit para preparar muestras de ADN genómico para la secuenciación del genoma completo.

Se enviaron muestras de ADN genómico de los tres fenotipos sexuales a Rhelixa (Tokio, Japón) para secuenciación de lectura larga utilizando el instrumento PacBio Sequel II (Pacific Biosciences, Menlo Park, CA, EE. UU.) y SMRTbell® Express Template Prep Kit 2.0 (Pacific Biosciences ), junto con la secuenciación de lectura corta utilizando el instrumento Illumina NovaSeq 6000 (biblioteca de 150 pb × 2; Illumina, San Diego, CA, EE. UU.) con el kit de preparación de biblioteca de ADN NEBNEXT® Ultra para Illumina (New England Biolabs, Ipswich, MA, EE. UU. ). Las lecturas sin procesar derivadas de los análisis utilizando los instrumentos PacBio e Illumina se obtuvieron de Rhelixa; sus detalles se resumen en la Tabla complementaria 6.

Para NIES-1363 (hombre unisex) y NIES-4481 (mujer unisex), las lecturas de PacBio se ensamblaron utilizando el software Raven (versión 1.6.0)36. El ensamblaje se pulió con pbmm2 (versión 1.8.0; Pacific Biosciences) y gcpp (versión 2.0.2; Pacific Biosciences) con las opciones predeterminadas. Las lecturas de Illumina se recortaron con fastp (versión 0.20.1)37. Posteriormente, los ensamblajes de PacBio se pulieron con NextPolish (versión 1.4.0)38 con las lecturas de Illumina recortadas.

Para NIES-4479 (bisexual), las lecturas de PacBio se ensamblaron utilizando flye (versión 2.8.3)39 y NextDenovo (versión 2.4.0)40. El recorte de las lecturas de Illumina y el pulido de los dos ensamblajes de PacBio se realizaron como se describe en NIES-1363 y NIES-4481. Los dos ensamblajes se fusionaron utilizando quickmerge (versión 0.3)41 con los contigs de NextDenovo como la secuencia de consulta. Para las lecturas de PacBio e Illumina recortadas, los espacios se llenaron con TGS-GapCloser (versión 1.1.1)42 y pilon 1.2.343.

Los contigs supuestamente duplicados y los contigs con cobertura irregular de lectura alta o baja se eliminaron mediante Purge Haplotigs (versión 1.1.1)44 con opciones predeterminadas. La contaminación bacteriana se comprobó mediante checkM (versión 1.1.3)45 y se eliminaron los supuestos cóntigos bacterianos. Los genomas organellares se identificaron y eliminaron usando BLASTN contra los genomas disponibles de cloroplasto (JX977846.1) y mitocondrial (JX977845.1) de P. starrii. Las repeticiones se identificaron y enmascararon utilizando RepeatModeler (versión 2.0.2) y RepeatMasker (versión 4.1.2)46. Finalmente, los ensamblajes del genoma completo de NIES-1363 (hombre unisexual), NIES-4481 (mujer unisex) y NIES-4479 (bisexual) estaban compuestos por 242 (134,8 Mbp, N50 = 1,06 Mbp), 288 (135,0 Mbp, N50 = 0,83 Mbp) y 95 contigs (136,1 Mbp, N50 = 3,1 Mbp), respectivamente. Para comprobar la integridad del genoma, se realizaron análisis BUSCO utilizando BUSCO (versión 5.0.0)47 y el conjunto de datos chlorophyta_obd10 con la opción "modo genoma" seleccionada; los valores de completitud fueron 98,2% (NIES-1363), 97,3% (NIES-4481) y 97,5% (NIES-4479).

Se prepararon y recolectaron muestras asexuales y sexualmente inducidas para los tres fenotipos sexuales de P. starrii como se describe anteriormente. Los ARN totales se extrajeron con el kit RNeasy Plant Mini (Qiagen, Venlo, Países Bajos) y se trataron con ADNasa I (grado de amplificación; ThermoFisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU.). Los ARN totales se enviaron a Rhelixa. Solo los ARNm se aislaron de las muestras con el módulo de aislamiento magnético de ARNm NEBNEXT® Poly(A) (New England Biolabs) y las bibliotecas de extremos emparejados de Illumina se construyeron con el kit de preparación de bibliotecas de ARN direccional NEBNext® UltraTM II (New England Biolabs). Las bibliotecas construidas se secuenciaron utilizando el instrumento Illumina NovaSeq 6000 (biblioteca de 150 pb × 2). Las lecturas sin procesar se enviaron desde Rhelixa; sus detalles se resumen en la Tabla complementaria 7.

Funannotate (versión 1.8.9) utilizó para la anotación secuencias de genoma completo ensambladas y lecturas de secuenciación de ARN de muestras tanto asexuales como inducidas sexualmente, obtenidas como se describió anteriormente. Para evaluar la integridad del conjunto de genes anotado, se realizaron análisis BUSCO en modo proteína usando BUSCO (versión 5.3.2)47 y el conjunto de datos chlorophyta_odb10, con la opción "modo proteína" seleccionada; los valores de completitud fueron 98,9 % (hombre unisexual, NIES-1363), 97,5 % (mujer unisex, NIES-4481) y 97,5 % (bisexual, NIES-4479).

Se examinaron los cóntigos candidatos que albergaban el SDR completo en tres fenotipos sexuales (hombre unisexual, mujer unisexual y bisexual). En primer lugar, se identificó un cóntigo masculino unisexual con MID (male contig_4) mediante búsquedas BLASTN utilizando BLAST+ v2.12.0 local blast49 contra el ensamblaje del genoma actual del masculino unisexual con la secuencia PlestMID (AB27261615) como las consultas (valor E máximo de corte: 1e -10). A continuación, se realizaron búsquedas BLASTN utilizando BLAST+ contra los ensamblajes de genoma de mujeres unisexuales y bisexuales con contig_4 masculino como consulta (valor E máximo de corte: 1e-10). "Contig_4 femenino" se identificó dentro del ensamblaje femenino unisexual que tenía dos regiones genómicas separadas [regiones pseudoautosómicas (PAR)] homólogas a las de contig_4 masculino, mientras que contig_12 bisexual tenía el SDR masculino (ver más abajo) flanqueado por dos PAR. Se llevaron a cabo análisis de diagrama de puntos entre contig_4 masculino, contig_4 femenino y contig_12 bisexual usando YASS50 para detectar las regiones genómicas reorganizadas o SDR.

Se realizaron búsquedas TBLASTN con BLAST+ contra los ensamblajes del genoma de los fenotipos unisexual masculino, unisexual femenino y bisexual de P. starrii con las proteínas relacionadas con el sexo de volvocina (Tabla complementaria 8) como consultas (valor E máximo de corte: 1e-10), y recuperaron secuencias con la mayor similitud. Para los homólogos de FUS1 de P. starrii, las regiones codificantes se determinaron mediante la reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR). Los ARNm poliadenilados se aislaron directamente de cultivos inducidos sexualmente de cepas bisexuales y hembras unisexuales de P. starrii usando Dynabeads Oligo(dT)25 (Thermo Fisher Scientific), luego los ARNm se separaron de las perlas mediante incubación en e-HeatingBucket EHB (TAITEC CORPORATION, Saitama , Japón) a 65 °C durante 5 min. Los ARNm aislados se transcribieron inversamente con la mezcla de Oligo (dT)20 (Thermo Fisher Scientific) y hexámeros aleatorios (Thermo Fisher Scientific) mediante transcriptasa inversa Superscript III (Thermo Fisher Scientific), y se sometieron a PCR (2 min a 94 °C, seguido de 35 ciclos de 10 segundos a 98 °C y 30 segundos a 68 °C) con cebadores específicos (Tabla complementaria 9) y KOD One (TOYOBO, Osaka, Japón). Para extender las secuencias de ADNc, se realizaron 5' RACE y 3' RACE utilizando el kit GeneRacer (Thermo Fisher Scientific) con cebadores específicos (Tabla complementaria 9). Los productos de PCR se secuenciaron directamente utilizando un analizador genético ABI PRISM 3100 (Applied Biosystems, Foster City, CA, EE. UU.) con un kit de secuenciación de ciclos BigDyeTM Terminator v3.1 (Thermo Fisher Scientific). Sobre la base de la secuencia de ADNc y la secuencia del genoma, se determinó la estructura exón-intrón de FUS1.

Los análisis filogenéticos se realizaron utilizando secuencias de proteínas de longitud completa alineadas con MUSCLE51 de genes SDR (genes específicos del sexo más gametólogos) y genes relacionados con el sexo (Tabla complementaria 8). Excepto por GCS1/HAP2, el método de máxima verosimilitud (ML) se sometió a cada alineación con opción de eliminación completa y valores de arranque52 basados ​​en 1000 repeticiones por MEGA X53 utilizando el modelo de mejor ajuste seleccionado por MEGA X. Además, la inferencia bayesiana (BI ) para las respectivas alineaciones se realizó utilizando MrBayes v3.2.7a54 con el modelo de mejor ajuste seleccionado por Modeltest-NG v0.1.64355. Las convergencias de las iteraciones de Monte Carlo de la cadena de Markov se evaluaron en función de la desviación estándar promedio de las frecuencias divididas por cada 1.000.000 de generaciones, descartando el primer 25 % como quemado, y las iteraciones se detuvieron automáticamente cuando las desviaciones estándar promedio estaban por debajo de 0,01, lo que indica convergencia. . Para la alineación GCS1/HAP2 que incluye siete parálogos de P. starrii (Fig. 3), las secuencias de aminoácidos correspondientes a las posiciones 17-649 (incluidas solo las secuencias del dominio externo) de CrGCS1 (XP_001695893) se sometieron a ML y BI como se describió anteriormente excepto para usar con la opción "Usar todos los sitios" en el análisis ML.

Las alineaciones utilizadas para los análisis filogenéticos están disponibles en TreeBASE (ID del estudio: S29920)56. La lista de números de acceso utilizados en el análisis filogenético se muestra en la Tabla complementaria 8.

Las puntuaciones de divergencia de DS y DN de gametólogos entre SDR masculinos y femeninos (Datos complementarios 1) se calcularon utilizando yn00 del paquete PAML457; La divergencia del sitio DN y DS de secuencias de codificación alineadas de gametólogos se calculó en base a Yang y Nielsen58 con igual ponderación entre vías y la misma frecuencia de codones para todos los pares11.

A partir de muestras asexuales de los tres fenotipos sexuales, se recolectaron 50 colonias asexuales de cada cultivo utilizando una micropipeta. Dentro de muestras inducidas sexualmente de cepas masculinas y femeninas unisexuales, se desarrollaron colonias masculinas y femeninas sexuales, respectivamente, y se recogieron 50 de las colonias sexuales de cada muestra. La cepa bisexual produjo colonias sexuales tanto masculinas como femeninas en la misma muestra inducida sexualmente, de la que se recogieron 50 colonias de cada tipo sexual. Aunque las colonias femeninas sexuales son morfológicamente indistinguibles de las colonias asexuales maduras en P. starrii33 (Fig. 1), recolectamos colonias relativamente maduras sin formación de paquetes de esperma y embriogénesis como "colonias femeninas sexuales" en cultivos inducidos sexualmente de cepas bisexuales y femeninas unisexuales. Con el fin de examinar la diferencia entre colonias durante la formación del paquete de esperma (colonias masculinas) y colonias asexuales dentro del mismo cultivo inducido sexualmente de cepa masculina unisexual, también se recolectaron y examinaron 50 colonias asexuales relativamente maduras. Preparamos tres réplicas biológicas para todas las muestras. Los ARNm poliadenilados se aislaron usando Dynabeads Oligo (dT)25 y se transcribieron de forma inversa como se describe anteriormente. Los ADNc purificados se disolvieron en Tris-HCl 10 mM. Los cebadores específicos de genes se diseñaron de manera que los amplicones cruzaran una o más uniones exón-exón. Se dibujaron curvas estándar con pares de cebadores candidatos usando una muestra de ADNc de una colonia masculina inducida sexualmente de un macho unisexual para MID, MTD1, GCS1 y una muestra de ADNc de una colonia femenina inducida sexualmente de una hembra unisexual para FUS1. Se usaron pares de cebadores con una eficiencia de reacción cercana al 100 % para los análisis: EF1L_qF2-EF1L_qR2 para EF-1 similar (98,9 %); MID_qF2-MID_qR2 para MID (102,3%); FUS1_qF3-FUS1-qR3 para FUS1 (102,4 %); MTD1_qF3-MTD1_qR4 para MTD1 (98,7%); GCS1_qF2-GCS1_qR2 para GCS1_1 (107,9%) (Apéndice SI, Tabla complementaria S10). La qPCR se realizó utilizando TB Green® Premix Ex TaqTM II (Takara Bio Inc., Shiga, Japón) y Thermal Cycler Dice® Real Time System II (Takara Bio Inc.) con tres réplicas técnicas por una réplica biológica y la Cq media calculada. Los valores de expresión normalizada relativa (Datos complementarios 2) se calcularon utilizando el gen similar a EF-1 como gen de referencia basado en Taylor et al.59.

Las secuencias de nucleótidos de todos los cebadores utilizados en el presente estudio se describen en las Tablas complementarias 9, 10.

Las relaciones filogenéticas dentro de los árboles filogenéticos construidos en el presente estudio se probaron con valores bootstrap52 basados ​​en 1000 repeticiones por MEGA X53 y probabilidades posteriores por inferencia bayesiana (BI) usando MrBayes v3.2.7a54 con el modelo mejor ajustado seleccionado por Modeltest-NG v0 .1.64355. Para BI, las convergencias de las iteraciones de Monte Carlo de la cadena de Markov se evaluaron en función de la desviación estándar promedio de las frecuencias divididas por cada 1.000.000 de generaciones, descartando el primer 25 % como quemado, y las iteraciones se detuvieron automáticamente cuando las desviaciones estándar promedio estaban por debajo de 0,01. , indicando convergencia. Para analizar y dibujar las cifras de sustituciones sinónimas y no sinónimas de gametólogos (datos complementarios 1) y expresiones relativas normalizadas del análisis RT-qPCR (datos complementarios 2), utilizamos Microsoft® Excel® 2016. En el análisis RT-qPCR de genes relacionados con el sexo, se examinaron tres réplicas biológicas para todas las muestras, y se calculó la expresión media relativa normalizada y logarítmica transformada para cada réplica biológica utilizando la función GEOMEAN. Las desviaciones estándar se calcularon utilizando la función STDEV.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Las lecturas sin procesar del genoma y los datos de secuenciación de ARN y los ensamblajes del genoma con datos de anotaciones se han depositado en el Banco de datos de ADN de Japón (DDBJ)60/Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL)/GenBank (DDBJ Sequence Read Archive [DRA]: DRA015329; -ensamblajes del genoma con anotaciones: BRXT01000001 a BRXT01000242 [fenotipo masculino de P. starrii NIES-1363], BRXV01000001 a BRXV01000288 [fenotipo femenino de P. starrii NIES-4481] y BRXU01000001 a BRXU01000095 [P .starrii NIES-4479 fenotipo bisexual]]). Las secuencias del genoma SDR que albergan dominios reorganizados con genes específicos del sexo en los fenotipos masculino, femenino y bisexual de P. starrii están disponibles con los números de acceso LC740503 a LC740521. Los datos de origen subyacentes a la Fig. 5 y la Fig. 4 complementarias se presentan en los Datos complementarios 1 y 2, respectivamente.

Weeks, SC El papel de la androdioecia y la ginodioecia en la mediación de las transiciones evolutivas entre la dioecia y el hermafroditismo en la animalia. Evolución 66, 3670–3686 (2012).

Artículo PubMed Google Académico

Pannell, JR La evolución y mantenimiento de la androdioecia. año Rev. Ecol. sist. 33, 397–425 (2002).

Artículo Google Académico

Félix, MA Morfos alternativos y plasticidad del desarrollo vulvar en una especie de nematodo rabdítido. desarrollo Genes Evol. 214, 55–63 (2004).

Artículo PubMed Google Académico

Pires-daSilva, A. Evolución del control de la identidad sexual en nematodos. Semin. Celúla. desarrollo Biol. 18, 362–370 (2007).

Artículo PubMed Google Académico

Wang, J. et al. La secuenciación de los cromosomas X e Y h de la papaya revela la base molecular de la evolución incipiente de los cromosomas sexuales. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 109, 13710–13715 (2012).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ueno, H. et al. La comparación de la secuencia del genoma revela un gen candidato involucrado en la diferenciación macho-hermafrodita en árboles de papaya (Carica papaya). mol. Gineta. genoma 290, 661–670 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Bold, HC, Alexopoulos, CJ & Delevoryas, T. Morfología de plantas y hongos. 5ª Ed. Harper & Row, Nueva York (1987).

Takahashi, K. et al. Tres fenotipos sexuales en una especie de alga haploide brindan información sobre la transición evolutiva hacia un sistema de apareamiento autocompatible. Evolución 75, 2984–2993 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Coelho, SM, Gueno, J., Lipinska, AP, Cock, JM & Umen, JG Cromosomas UV y sistemas sexuales haploides. Tendencias Plant Sci. 23, 794–807 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ferris, P. et al. Evolución de un locus determinante del sexo ampliado en Volvox. Ciencia 328, 351–354 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hamaji, T. et al. La secuencia del lugar de apareamiento de Gonium pectorale revela una historia compleja y dinámica de cambios en los haplotipos de apareamiento de algas volvocinas. G3 (Bethesda) 6, 1179–1189 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hamaji, T. et al. La anisogamia evolucionó con una región determinante del sexo reducida en las algas verdes volvocine. común Biol. 1, 1–7 (2018).

Artículo Google Académico

Yamamoto, K. et al. Tres genomas del género de algas Volvox revelan el destino de una región haploide determinante del sexo después de una transición al homotalismo. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 118, e2100712118 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ferris, PJ & Goodenough, UW El tipo de apareamiento en Chlamydomonas se especifica por medio, el gen de dominancia negativa. Genética 146, 859–869 (1997).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nozaki , H. , Mori , T. , Misumi , O. , Matsunaga , S. & Kuroiwa , T. Los machos evolucionaron a partir del tipo de apareamiento isogamético dominante. actual Biol. 16, 1018-1020 (2006).

Artículo Google Académico

Ferris, PJ, Woessner, JP y Goodenough, UW Una glicoproteína de reconocimiento sexual está codificada por el gen fus1 de tipo de apareamiento positivo de Chlamydomonas reinhardtii. mol. Biol. Celda 7, 1235–1248 (1996).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Misamore, MJ, Gupta, S. & Snell, WJ La proteína Chlamydomonas fus1 está presente en el orgánulo de fusión tipo plus de apareamiento y se requiere para un evento crítico de adhesión a la membrana durante la fusión con gametos menos. mol. Biol. Celda 13, 4100–4109 (2002).

Google Académico

Lin, H. & Goodenough, UW La gametogénesis en el tipo de apareamiento de Chlamydomonas reinhardtii minus está controlada por dos genes, MID y MTD1. Genética 176, 913–925 (2007).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Roy, SW Digest: Tres sexos de dos loci en un genoma: un alga haploide amplía la diversidad de especies trioicas. Evolución 75, 3002–3003 (2021).

Artículo PubMed Google Académico

Vurture, GW et al. GenomeScope: perfilado rápido y sin referencias del genoma a partir de lecturas cortas. Bioinformática 33, 2202–2204 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ferris, PJ, Armbrust, EV y Goodenough, UW Estructura genética del locus de tipo de apareamiento de Chlamydomonas reinhardtii. Genética 160, 181–200 (2002).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kawai-Toyooka, H. et al. Regulación postraduccional específica del sexo del gameto fusógeno GCS1 en el alga volvocina isógama Gonium pectorale. eucariota. Celda 13, 648–656 (2014).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Scott, JG et al. Genoma de la mosca doméstica, Musca domestica L., un vector global de enfermedades con adaptaciones a un ambiente séptico. Genoma Biol. 15, 466 (2014).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Hamm, RL, Meisel, RP y Scott, JG El rompecabezas en evolución de la determinación masculina autosómica versus ligada al Y en Musca domestica. G3 (Bethesda, Maryland) 5, 371–384 (2015).

Artículo Google Académico

Meisel, RP et al. ¿La determinación multifactorial del sexo en la mosca doméstica, Musca domestica (L.), es estable en el tiempo? J. Herencia 107, 615–625 (2016).

Artículo Google Académico

Prochnik, SE y col. Análisis genómico de la complejidad del organismo en el alga verde multicelular Volvox carteri. Ciencia 329, 223–226 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Korneev, SA, Park, J. & O'Shea, M. La expresión neuronal de la proteína de óxido nítrico sintasa neural (nNOS) es suprimida por un ARN antisentido transcrito a partir de un pseudogen NOS. J. Neurosci. 19, 7711–7720 (1999).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tam, OH et al. Los pequeños ARN de interferencia derivados de pseudogenes regulan la expresión génica en ovocitos de ratón. Naturaleza 453, 534–538 (2008).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hanschen, ER, Herron, MD, Wiens, JJ, Nozaki, H. y Michod, RE Evolución repetida y reversibilidad de la autofecundación en las algas verdes volvocine. Evolución 72, 386–398 (2018).

Artículo PubMed Google Académico

Lindsey, CR, Rosenzweig, F. & Herron, MD Phylotranscriptomics apunta a múltiples orígenes independientes de multicelularidad y diferenciación celular en las algas volvocine. BMC Biol. 19, 182 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kawachi, M. et al. MCC-NIES Lista de cepas, 9ª edición. Colección de cultivos microbianos del Instituto Nacional de Estudios Ambientales, Tsukuba, Japón. 2013.

Starr, RC & Zeikus, JA UTEX—La colección de cultivo de algas en la lista de cultivos de la Universidad de Texas en Austin 1993. J. Phycol. 29, 1–106 (1993).

Artículo Google Académico

Nozaki, H., Ott, FD & Coleman, AW Morfología, filogenia molecular y taxonomía de dos nuevas especies de Pleodorina (Volvoceae, Chlorophyceae). J. Phycol. 42, 1072–1080 (2006).

Artículo Google Académico

Kato, S. Laboratorio de cultivo y morfología de Colacium vesiculosum Ehrb. (Euglenoficeae). Jpn. J. Phycol. 30, 63–67 (1982).

Google Académico

Nozaki, H., Kuroiwa, H., Mita, T. y Kuroiwa, T. Pleodorina japonica sp. nov. (Volvocales, Chlorophyta) con endosimbiontes similares a bacterias. Ficología 28, 252–267 (1989).

Artículo Google Académico

Vaster, R. & Šikić, M. Ensamblaje del genoma eficiente en tiempo y memoria con Raven. Nat. computar ciencia 1, 332–336 (2021).

Artículo Google Académico

Chen, S., Zhou, Y., Chen, Y. y Gu, J. fastp: un preprocesador FASTQ todo en uno ultrarrápido. Bioinformática 34, 884–890 (2018).

Artículo Google Académico

Hu, J., Fan, J., Sun, Z. & Liu, S. NextPolish: una herramienta de pulido del genoma rápida y eficiente para el ensamblaje de lectura larga. Bioinformática 36, ​​2253–2255 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Kolmogorov, M., Yuan, J., Lin, Y. y Pevzner, PA Montaje de lecturas largas propensas a errores mediante gráficos repetidos. Nat. Biotecnología. 37, 540–546 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Hu, J. et al. Una corrección de errores eficiente y una herramienta de ensamblaje precisa para lecturas largas y ruidosas. Preimpresión en bioRxiv https://doi.org/10.1101/2023.03.09.531669 (2023).

Chakraborty, M., Baldwin-Brown, JG, Long, AD y Emerson, JJ Ensamblaje de novo contiguo y preciso de genomas de metazoos con una modesta cobertura de lectura larga. Ácidos Nucleicos Res. 44, e147 (2016).

PubMed PubMed Central Google Académico

Xu, M. et al. TGS-GapCloser: un cerrador de brechas rápido y preciso para genomas grandes con baja cobertura de lecturas largas propensas a errores. Gigaciencia 9, 1–11 (2020).

Artículo Google Académico

Walker, BJ y col. Pilon: una herramienta integrada para la detección integral de variantes microbianas y la mejora del ensamblaje del genoma. PLoS One 9, e112963 (2014).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Roach, MJ, Schmidt, SA y Borneman, AR Purge Haplotigs: Reasignación de contig alélicos para ensamblajes de genomas diploides de tercera generación. BMC Bioinforma. 19, 460 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Parks, DH, Imelfort, M., Skennerton, CT, Hugenholtz, P. & Tyson, GW CheckM: evaluación de la calidad de los genomas microbianos recuperados de aislamientos, células individuales y metagenomas. Genoma Res. 25, 1043–1055 (2015).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Flynn, JM y col. RepeatModeler2 para el descubrimiento genómico automatizado de familias de elementos transponibles. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 117, 9451–19457 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Manni, M., Berkeley, MR, Seppey, M., Simão, FA & Zdobnov, EM Actualización de BUSCO: flujos de trabajo novedosos y simplificados junto con una cobertura filogenética más amplia y profunda para la puntuación de genomas eucariotas, procariotas y virales. mol. Biol. Evol. 38, 4647–4654 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Palmer, J. y Stajich, J. nextgenusfs/funannotate: funannotate v1.5.3 (1.5.3). Zenodo https://doi.org/10.5281/zenodo.2604804 (2019).

Artículo Google Académico

Camacho, C. et al. BLAST+: arquitectura y aplicaciones. BMC Bioinforma. 10, 421 (2009).

Artículo Google Académico

Noe, L. & Kucherov, G. YASS: mejora de la sensibilidad de la búsqueda de similitud de ADN. Ácidos Nucleicos Res. 33, 540–543 (2005).

Artículo Google Académico

Edgar, RC MUSCLE: alineación de secuencias múltiples con alta precisión y alto rendimiento. Ácidos Nucleicos Res. 32, 1792–1797 (2004).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Felesenstein, J. Límites de confianza en filogenias: un enfoque utilizando el bootstrap. Evolución 39, 783–791 (1985).

Artículo Google Académico

Kumar, S., Stecher, G., Li, M., Knyaz, C. y Tamura, K. MEGA X: análisis de genética evolutiva molecular en plataformas informáticas. mol. Biol. Evol. 35, 1547-1549 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ronquist, F. et al. MRBAYES 3.2: inferencia filogenética bayesiana eficiente y selección de modelos en un gran espacio modelo. sist. Biol. 61, 539–542 (2012).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Darriba, D. et al. ModelTest-NG: una nueva herramienta escalable para la selección de modelos evolutivos de ADN y proteínas. mol. Biol. Evol. 37, 291–294 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Vos, RA et al. NeXML: representación rica, extensible y verificable de datos y metadatos comparativos. sist. Biol. 61, 675–689 (2012).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Yang, Z. PAML 4: análisis filogenético por máxima verosimilitud. mol. Biol. Evol. 24, 1586-1591 (2007).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yang, Z. & Nielsen, R. Estimación de tasas de sustitución sinónimas y no sinónimas bajo modelos evolutivos realistas. mol. Biol. Evol. 17, 32–43 (2000).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Taylor, SC et al. El último experimento de qPCR: producción de datos reproducibles y con calidad de publicación desde la primera vez. Tendencias Biotecnología. 37, 761–774 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Okido, T. et al. Informe de actualización del Banco de datos de ADN de Japón (DDBJ) 2021. Res. de ácidos nucleicos. 50, D102–D105 (2021).

Artículo PubMed Central Google Académico

Descargar referencias

Agradecemos a los Dres. Yamato Yoshida y Yuko Mogi (Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de Tokio) por su amable orientación y ayuda para los análisis de qPCR. Este trabajo fue apoyado por Grants-in-Aid for Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Research Fellow ( Subvención n.º 21J10259 a KT), Investigación científica (B) (Subvención n.º 20H03299 a HN), Investigación científica (C) (Subvención n.º 21K06294 a HK-T. y Subvención n.º 20K06766 a TH), del Ministerio de Educación, Cultura, Deporte, Ciencia y Tecnología (MEXT)/JSPS KAKENHI.

Departamento de Ciencias Biológicas, Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de Tokio, Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-0033, Japón

Kohei Takahashi, Tetsuya Higashiyama y Hisayoshi Nozaki

División de Biodiversidad, Instituto Nacional de Estudios Ambientales, Onogawa, Tsukuba, Ibaraki, 305-8506, Japón

Shigekatsu Suzuki, Haruyo Yamaguchi, Masanobu Kawachi y Hisayoshi Nozaki

Departamento de Biociencia Fronteriza, Universidad Hosei, Kajino-cho, Koganei, Tokio, 184-8584, Japón

Hiroko Kawai-Toyooka

Departamento de Ciencias Químicas y Biológicas, Facultad de Ciencias, Universidad de Mujeres de Japón, Bunkyo-ku, Tokio, 112-8681, Japón

Kayoko Yamamoto y Ryo Ootsuki

Iniciativa de investigación y desarrollo, Universidad de Chuo, Kasuga, Bunkyo-ku, Tokio, 112-8551, Japón

takashi hamaji

Departamento de Ciencias Naturales, Facultad de Artes y Ciencias, Universidad de Komazawa, Komazawa, Setagaya-ku, Tokio, 154-8525, Japón

Ryo Ootsuki

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

KT, SS, T. Higashiyama y HN diseñaron el trabajo. KT, SS, HK-T., RO, HY, MK y HN realizaron secuenciaciones de ADN y ARN, construyeron los ensamblajes del genoma e interpretaron los datos de la secuencia. KT, T. Hamaji y KY identificaron e interpretaron SDR en los datos del genoma. KT, SS y HN escribieron el manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Hisayoshi Nozaki.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Communications Biology agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores principales de manejo: Luke R. Grinham y George Inglis. Un archivo de revisión por pares está disponible.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Takahashi, K., Suzuki, S., Kawai-Toyooka, H. et al. Reorganización de las regiones ancestrales determinantes del sexo durante la evolución de la trioecia en Pleodorina starrii. Comun Biol 6, 590 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-023-04949-1

Descargar cita

Recibido: 02 febrero 2023

Aceptado: 17 de mayo de 2023

Publicado: 09 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-023-04949-1

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.