霍尔丹规则:异种性别

霍尔丹的简单观察，现在被称为霍尔丹规则，仍然使研究遗传的生物学家感兴趣和困惑物种形成．为什么杂交的异配性，或者有不同的性染色体(例如，哺乳动物中的XY)，比杂交种更痛苦同配的性(例如，哺乳动物中的XX)?研究物种形成的生物学家关注霍尔丹规则的一个原因是，它是关于物种形成的为数不多的经验概括之一，适用于许多不同的动物群体。例如，在雄性为异型性的生物群体中(如苍蝇和哺乳动物)，以及在雌性为异型性的生物群体中(如鸟类和蝴蝶)，都遵循这种模式。这种模式的普遍存在表明，它是由不同生物体的共同机制产生的。

霍尔丹最初的观察只是关于生育和生存能力的混合动力车但霍尔丹的规则也可以扩展到其他特征。事实上，在杂交种中，异配子性别的成员往往比同配子性别的成员遭受更不利的形态影响。例如，韦德和约翰逊(1994)发现杂交雄性由两个交配产生物种粉甲虫(种有害castaneum而且种有害freemani)经常有畸形的腿和触角。这种畸形在面粉甲虫的亲本物种中都很罕见。有趣的是，在正常饲养温度(29℃)下，混合动力通过这种交配产生的雌性只偶尔会有畸形。然而，在更高的温度下(例如，34°C)，相当一部分杂交雌性也会变形(Wadeet al。, 1999)。

霍尔丹法则可以通过性染色体的特性产生的一种简单方式是，如果一个物种的X染色体与另一个物种的X染色体相互作用Y染色体来自其他物种导致杂交不亲和;在这里，这种X-Y相互作用只会发生在异配子性别中。不幸的是，这个简单的解释并没有得到充分的支持。首先，这个XY模型可以预测，在雄性缺乏X染色体的物种群体(即，雌性为XX，雄性为XO的物种)中，雄性和雌性杂交后代受到的影响相同。然而，在蚱蜢中，雄性杂交比雌性杂交更容易不育(Wu & Davis, 1993;Coyne & Orr, 2004)。其次，遗传分析表明，X-Y相互作用很少导致杂交不亲和果蝇．事实上，在很多情况下，Y染色体根本不会导致杂种不育和不育(Johnsonet al。, 1993)。此外，即使Y染色体确实对杂交后代有影响，它也可能与杂交后代相互作用基因在常染色体上，而不是x连锁基因(Johnsonet al。, 1992)。

鉴于XY模型的这些问题，研究人员提出了各种其他模型，试图解释霍尔丹规则。例如，在20世纪40年代，赫尔曼·约瑟夫·穆勒(Herman Joseph Muller)提出，霍尔丹规则的产生是因为异型性别的X染色体和常染色体不平衡。考虑一个例子，两个物种之间的杂交，其中男性是异型性。在这种情况下，女性F₁混合动力车会有一个X染色体父母双方各有一组常染色体;同时，男性F₁杂交种会有来自母本的一条X染色体和来自父本的一条Y染色体，以及来自亲本各一组常染色体。F₁因此，雄性将遭受X- a失衡，因为它们缺乏来自亲本物种之一的X染色体，而具有来自亲本物种两个物种的常染色体。

20世纪90年代，艾伦·奥尔(Allen Orr)和迈克尔·图雷利(Michael Turelli)提出了对穆勒模型的改进，他们指出，只有当杂交雄性比雌性遭受更多的痛苦时等位基因涉及杂交不亲和的部分有些不完全隐性(Turelli & Orr, 1995)。根据这个模型，拥有来自两个亲本物种的X染色体的杂交雌性将不受隐性负等位基因的影响，但雄性(只有来自亲本物种之一的一个X染色体)则不会。相反，如果负面影响是占主导地位的，那么杂交雌性实际上会比雄性遭受更多的痛苦。Orr和Turelli的模型，现在被称为主导地位模型(或优势理论)，将穆勒的想法纳入一个明确的理论框架，具体说明等位基因效应何时会导致霍尔丹规则。

目前，大多数进化生物学家认为优势模型至少解释了霍尔丹规则的一些特征，但它可能不是这种模式的唯一解释。例如，Chung-I Wu和同事们注意到果蝇在哺乳动物中，杂交雄性不育不仅比杂交雌性不育进化得快得多，而且在两性中也比杂交不育进化得快(Wu & Davis, 1993;吴et al。, 1996)。这种更快的杂交雄性不育率并不会发生，因为不育性更易变;事实上，诱变研究果蝇揭示导致不育的突变数量大大超过导致不育的数量。尽管如此，霍尔丹的规则在不孕的情况下通常比在不能生育的情况下更受欢迎。例如，在一项研究中，研究人员注意到199例混合F₁雄性不育，杂交₁3例F₁雄性具有生育能力，F₁雌性不育。相比之下，当研究杂交不育时，研究人员注意到只有14个案例符合霍尔丹规则，9个不符合霍尔丹规则(Wu等, 1996)。这些发现导致了这样一种观点:在男性是异型性别的群体中，男性的某些属性也必须推动霍尔丹规则(Wu & Davis, 1993;吴et al。, 1996)。

但是，是什么在雄性异种配种的生物群体中推动了更快的杂交不育率——因此，霍尔丹规则?一个可能的原因是性选择．一般来说，性选择男性比女性更强烈。如果男性的特征有加速的进化由于性选择，这些性状在杂交种中更有可能受到负面影响。虽然没有直接的证据表明性选择导致了霍尔丹法则中的不育，但大量的间接证据支持这一观点。一个支持的证据是，许多基因在哺乳动物和动物的雄性生殖道中表达果蝇有一个加速的进化速度(托格森et al。, 2002)。然而，重要的是要注意，性选择，或任何其他解释更快的男性进化，只能解释杂交雄性不育的生物加速，其中男性是异型性别。在鸟类和其他以雌性为异型性别的生物群体中，雄性的快速进化会导致霍尔丹规则的例外。

图1:霍尔丹法则的遗传基础检验

一个物种(如D. simulans)的染色体显示为白色，另一个物种(如D. teissieri)的染色体显示为黑色。性染色体显示在左边(X在上面;Y，底部有一个“钩”)。右边显示的是常染色体的单倍体。所有基因型都携带来自“白色”物种的细胞质。顶部基因型代表F1雄性杂种，中间基因型代表F1雌性杂种。底部的基因型描述了携带白色人种的X染色体的杂交雌性。霍尔丹法则的传统解释预测，这种“不平衡”的基因型将不可存活。(群体遗传学模型表明，这一理论需要一个额外的假设:导致生殖隔离的等位基因作为功能丧失突变;也就是说，更多的隐性等位基因必然对杂交适应度有更大的纯合效应。)

©1993自然出版集团奥尔，H. A.霍尔丹规则有多种遗传原因。自然 361年,532(1993)。版权所有。

多年来，研究人员进行了大量的实验使用不同种类的果蝇试图检验霍尔丹法则的可能原因。例如，在一项著名的研究中，研究人员H. Allen Orr用F₁不平衡的杂交雌性F₁混合的男性。奥尔知道，如果不平衡是霍尔丹法则的充分解释，那么不平衡的杂交雌性将和它们的雄性同类一样无法生存。他也知道在交叉中d . simulans而且d . teissieriF₁杂交雄性通常无法存活，而雌性则可以存活。为了构造不平衡的杂交雌性，奥尔利用了一种特殊的d . simulans．在这种股票中，叫做并连x在美国，女性的两条X染色体都连在一起。由附加的x染色体杂交产生的雌性杂交种d . simulans女性和d . teissieri因此，雄性的X染色体都来自雌性d . simulans的Y染色体d . teissieri和来自两者的一组常染色体d . simulans而且d . teissieri．奥尔发现，这些雌性实际上是无法生存的，这一结果支持了优势模型(图1;或者,1993)。

类似的测试使用附加x雌性产生不平衡的F₁雌性已经与其他物种进行了配对果蝇；一般来说，不平衡的雌性在F₁雄性不育，但在杂交中可育₁雄性不育。这些结果表明，染色体不平衡，可能是由于优势模型，足以解释霍尔丹规则的生存能力方面，但不足以解释不育方面(Coyne, 1985;或者,1993;Wu & Davis, 1993)。

因此，为了更多地了解霍尔丹法则的不育部分，奥尔和他当时的研究生达文·普雷斯格雷夫斯汇编了两种不同属蚊子的比较数据按蚊而且伊蚊-在性染色体的性质上有所不同(Presgraves & Orr, 1998)。属中的种按蚊Y染色体在形态上与X染色体不同。这些蚊子的Y染色体也比X染色体拥有更少的基因。此外，在这个物种的成员中，Y染色体的大区域不与X染色体重组。这种不同的染色体被称为退行性染色体。相反，属中的X和Y染色体伊蚊非常相似;这些染色体被称为非简并的。奥尔和普雷斯格雷夫斯假设，如果只有优势模型起作用，具有退化性染色体的蚊子配对应该表现出霍尔丹规则，而具有非退化性染色体的蚊子配对则不应该表现出霍尔丹规则。因此，如果霍尔丹法则出现在伊蚊物种配对，一定有其他机制(比如性选择)在起作用。

事实上,在伊蚊奥尔和普雷斯格雷夫斯发现，雄性不育的单性杂交不育病例比雌性不育的病例多得多。这些数据表明，退化性染色体的存在(因此优势模型)并不需要霍尔丹不育规则。在本属中增加杂交雄性不育的可能机制是更快的雄性进化，可能是通过性选择。另一方面，雄性偏倚的杂种不育在按蚊蚊子比它多伊蚊蚊子。这一发现表明，主导地位实际上可能在霍尔丹规则的不育方面发挥作用。此外，霍尔丹的无活力规则出现在按蚊但不是在伊蚊；对这一发现最有可能的解释是优势模型足以解释霍尔丹规则在蚊子中的生存能力方面。

主导地位和速度更快的男性模特很好地支持果蝇对一些人来说程度上在哺乳动物中。然而，对这些模型的支持并不排除其他因素可能也在起作用。

例如，第三个模型解释了霍尔丹法则是X染色体快速进化的结果(Coyne & Orr, 1989)。这个快速x模型假设大多数有利的等位基因是部分隐性的。请注意，这种隐性效应是在纯种中，而不是在杂交种中，正如上面优势度模型所假设的那样。人口遗传学理论预测，部分隐性等位基因会更容易在X染色体上积累，因为当新的等位基因通过突变，他们一般居住在杂合的．常染色体上的隐性优势等位基因在杂合子中不表达，因此不会表现为显性遗传选择优势在低的时候频率．另一方面，这样的x连锁等位基因会立即在异型性中表达。如果这些等位基因是性别偏向的，并且在纯种遗传背景下有益的等位基因在杂交遗传背景下有害，那么在杂交中异型性别将因此受到更多的影响(根据霍尔丹规则)。这个更快的x模型最近得到了来自果蝇遗传研究表明，当从一个物种向另一个物种渐渗时，导致杂交雄性不育的遗传因素在X染色体上的密度大于常染色体上的密度(Masly & Presgraves, 2007)。

霍尔丹法则经常被准确地描述为一种复合现象;不同原因的相对重要性(优势模型vs.更快的男性模型vs.更快的x模型)可能在霍尔丹规则的生存能力、形态和不育方面有所不同。研究霍尔丹法则的遗传和进化原因的另一个挑战是，尽管这种模式非常普遍(即，在苍蝇、哺乳动物、鸟类、蝴蝶和其他主要生物类群中都能看到)，但最详细的遗传数据主要来自一个属，果蝇．能从中得出结论吗果蝇研究是否可以推广到其他群体?使这个问题更加恶化的是，缺乏对具有异种配种雌性的杂交后代的遗传研究。鳞翅目昆虫(蝴蝶和飞蛾)可能包含未来几年进行此类研究的最佳候选物种。