行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
紅果蠅與輝顏果蠅種間的生殖隔離機制
Reproductive isolation between Drosophila albomicans and D. nasuta 計畫編號： NSC90-2313-B-002-333 執行期限： 90 年 8 月 1 日 至 91 年 7 月 31 日 主持人：張慧羽 國立台灣大學昆蟲學系 E-mail: [email protected] 一、中文摘要 在自然界中隔絕兩者基因交流之因 素的探究，是研究族群分化 (population differentiation) 乃 至 於 物 種 形 成 (speciation) 的良好題材。雖在實驗室中 雜交時紅果蠅 (Drosophila albomicans) 與輝顏果蠅 (D. nasuta) 有交尾後生殖隔 離 (postmating isolating mechanism) 但不 明顯，而自然族群中紅果蠅與輝顏果蠅 雖然毗鄰分布，但從未發現雜交個體。 本計劃分析紅果蠅與輝顏果蠅雌雄生殖 生物學方面的基本特性，包括交尾持續 時間、平均交尾次數、雌性的異種再交 尾率與生殖力等資料的蒐集，結果顯示 兩物種沒有明顯的交尾前與結合子形成 後的隔離，推測可能是交尾後結合子前 的生殖隔離造成紅果蠅與輝顏果蠅的遺 傳組成無法交流。 關鍵詞：物種形成、紅果蠅、輝顏果 蠅、生殖隔離、同種精子優勢、精子競 爭
The factors preventing gene flow between two species in nature are the interesting subjects to the population
differentiation and speciation. There exists a little but not significant postmating isolation between Drosophila albomicans and D. nasuta. However, no hybrids have ever been found in nature anywhere including the area near the border. In this project, we analyzed the basic
characteristics of reproductive biology in D. albomicans and D. nasuta, including copulation duration, average mating frequency, remating rate, and fertility. There is neither significant premating nor postmating reproductive isolation between D. albomicans and D. nasuta, and we suggest that postmating and prezygotic reproductive isolation might be the mechanisms to stop the gene flow of the two species.
Keywords: speciation, Drosophila albomicans, D. nasuta, reproductive isolation, conspecific sperm precedence, sperm competition 二、計畫緣由與目的 在生物進化的研究上，種化 (speciation,亦即新種產生) 是一個相當重 要的課題，但是在探討種化時必須先釐 清種的概念 (species concept)。也就是 說，當研究者對種的定義不同，對種化 的研究策略就不同。舉例來說，Ting et al. (1998)根據生物種概念 (biological species concept) 探討發生在擬黃果蠅
(Drosophila simulans) 與其同胞種 (sibling species) D. mauritiana 和 D. sechellia 的種 化過程，因為擬黃果蠅與兩個同胞種的 雜交後代雄蟲沒有生殖力 (sterile)，所以 控制雜交後代生殖力的基因 Odysseus 可 稱為種化基因 (speciation gene)；相對 地，如果種的定義是根據生物的多個特 徵，如形態、生殖、生化形質、以及地 理分布的異同來判斷是否為同一種，而 不只考慮雜交後代生殖力或存活的狀況 時，即使兩分類群可以雜交產生後代且 可累代培養，也可能被定義成不同種， 例如 Kitagawa et al. (1982) 將紅果蠅 (D. albomicans) 與輝顏果蠅 (D. nasuta) 根據 地理分布、形態、生殖、核型 (karyotype)、異構 (allozyme) 的研究判 定為不同種，但印度的學者 Ranganath (1999)則始終認為兩者只是亞種而已 (因 為紅果蠅與輝顏果蠅在自然界尚未發現 地理分布重疊區域)。 如上所述，紅果蠅與輝顏果蠅是否 為同一種尚有爭議，但一個不爭的事實 是兩者在實驗室中雖然可以雜交，但兩 者的核型卻有明顯的差異，紅果蠅為 2n=6 而輝顏果蠅則是 2n=8。因為輝顏果 蠅具有原始的核型，而紅果蠅的性染色 體為原始的 X 染色體和原始的第三號染 色體癒合而成的新-X (neo-X) 染色體，及 原始的 Y 染色體和原始的第三號染色體 所癒合而成的新-Y (neo-Y) 染色體，二者 的差異牽涉到複雜的染色體變化。然而 最令人疑惑的是在自然界中的紅果蠅與 輝顏果蠅的核型如此不同真的只是因為 地理分布沒有重疊，還是有其他選汰力 介入其中呢？因為紅果蠅與輝顏果蠅的 分布都相當廣泛，後者則是西起非洲東 岸、向東延伸到印度東部；而前者西起 泰國西部、向東延伸到日本南部，可見 兩者的擴散能力都不差，而且兩者之間 並沒有明顯的地理障礙。若是如此，為 何自然界中找不到雜交個體？若有雜交 事件發生，即使並不常見但只要發生， 根據其在實驗室中可以雜交且雜交後代 可以維持長期的染色體多態性
(polymorphism) 的現象 (Chang and Ayala, 1989) 推測雜交後代應該可以在自然族群 中繁衍開來，進而蔓延到整個自然族群 之中。然而事實並非如此，在自然界中 兩者的核型依然如此壁壘分明，似乎存 在著一股力量限制了紅果蠅與輝顏果蠅 的基因交流。這種選汰力果真存在的 話，可說是促使紅果蠅與輝顏果蠅成為 不同，而非正處於種化的過程。 事實上，Mayr (1963) 所提出的生物 種定義並沒有當初想像的那麼好用，一 來並不是每個生物都可以拿到實驗室中 雜交，二來是實驗室將許多存在於自然 界的複雜因子單純化，交尾後結合子形 成 前 之 隔 離 (postmating prezygotic isolation) 的研究正漸漸受到重視，強調 生殖隔離的力量可以來自於選型授精 (assotative fertilization) (Markow, 1997)， 也就是同一物種的卵或胚珠傾向於只讓 同種的精子或花粉管授精，這種概念與 交尾前隔離的選型交配 (assotative mating)
類似，而選型交配較易被接受的原因是 理論上這樣的生殖隔離機制比較符合經 濟效益，可以減少生物在生殖投資上的 浪費。然而在許多近緣種的例子中可以 發現，由於物種間分歧的時間還不夠 久，行為隔離機制尚未完備，因此同胞 種之間仍可以雜交。但只要有生殖隔離 不論是在交尾前還是交尾後，兩個種的 地位當可確立。 因此，紅果蠅與輝顏果蠅在自然界 中可能有其他選汰力，例如性擇 (sexual selection)，阻隔了兩者的基因交流。也 就是說，在自然界中紅果蠅與輝顏果蠅 族群即使相遇，若有交尾後結合子形成 前的隔離機制，就不能自由地基因交 流。事實上，Price (1997) 研究擬黃果蠅 (D. simulans) 與其同胞種 D. mauritiana 及 D. sechellia 的交配試驗指出有同種精 子優勢 (conspecific sperm precedence, CSP) 的現象，即當不同種雄蟲的精子進 入同一雌蟲體內時，該雌蟲產下的後代 中絕大多數都是同種雄蟲精子授精的結 果。換言之，雖然不同種間發生了雜 交，但是基因並沒有真正的流入異種的 遺傳組成之中。另外在其他昆蟲如蟋 蟀、蝗蟲、以及豆象的研究中也有類似 之同種精子優勢的現象 (Bellla et al., 1992; Gregory and Howard, 1994; Hewitt et al., 1989; Howard et al., 1998; Wade et al., 1994) 。Howard (1999) 的綜合論述中除 了同種精子優勢外又加入了同種花粉優 勢 (conspecific pollen precedence) 的例 子，更將這種較少被提及的生殖隔離力 量可能涵蓋的層面又推的更廣了些。而 這種選汰力是否存在於紅果蠅與輝顏果 蠅間，是非常值得探討的問題。 所以針對紅果蠅與輝顏果蠅的基本 資料進行調查，比如是否有再交尾的習 性、平均交尾次數等，才能決定如何進 行實驗。而如果紅果蠅與輝顏果蠅根本 沒有再交尾的的習性，則雌蟲體內不會 有兩隻雄蟲的精子同時存在的情況出 現，也就沒有所謂精子競爭的問題。 三、結果與討論 本計畫蒐集的生殖特性的基本資料 包括紅果蠅與輝顏果蠅的交尾持續時間 (copulation duration)、平均交尾次數、 再交尾率 (remating frequency)及生殖 力。使用的果蠅品系分別為紅果蠅的 #163.5 (日本) 與輝顏果蠅的 # 193.7 (印 度)。 一、交尾持續時間 (copulation duration, 分鐘，N 為 配對數)： 雌 雄 紅果蠅 (N) 輝顏果蠅 (N) 紅果蠅 21.3±2.2 (93) 19.7±3.7 (87) 輝顏果蠅 23.2±2.5 (95) 20.8±4.7 (90) 由交尾持續時間的結果顯示紅果蠅 與輝顏果蠅無論是種內或種間都無顯著 不同 二、平均交尾次數： 此實驗只有同種內的資料，分為雌性
與雄性兩部份 (N 為實驗個數 ) ： 雌性：紅果蠅與輝顏果蠅的結果分別 為 2.3 ± 0.5 (N= 83) 與 1.7± 0.3 (N=87) 雄性：紅果蠅與輝顏果蠅的結果分別 為 3.5 ± 0.1 (N= 92) 與 3.1± 0.3 (N=89) 三、雌性的異種再交尾率 (指發生第二次 交尾的比例)： 由於兩物種同種內平均交尾次數大於 1，也就是有明顯的再交尾傾向，因此進 行雌性的異種再交尾率，先給同種雄蟲 與其交尾後，再給異種雄蟲計錄再交尾 率，此外反向的情況也做 ( N 為組合 數)： 雌 雄 先同種再異種 先異種再同種 紅果蠅 0.67 (N=57) 0.59 (N=30) 輝顏果 蠅 0.54 (N=45) 0.51 (N= 40) 結果顯示紅果蠅與輝顏果蠅雌蟲的異種 再交尾率沒有明顯不同。 四、生殖力： 生殖力的分析方法是以五雄配五雌 放一管的方式，每二到三天轉管一次， 讓雌蟲產卵七天，記錄羽化的成蟲個數 (N 為組合數)： 組合型式 (雌Í雄) 子代數 紅果蠅Í紅果蠅 96.7 ± 8.9 (N= 27) 輝顏果蠅Í輝顏果蠅 92.5± 6.9 (N= 22) 紅果蠅Í輝顏果蠅 88.1 ± 11.7 (N= 20) 輝顏果蠅Í紅果蠅 86.2 ± 9.8 (N= 25) 結果顯示四種組合的生殖力沒有明 顯的差異。 綜合來說，從交尾持續時間、平均 交尾次數、雌性的異種再交尾率與生殖 力來看，輝顏果蠅與紅果蠅並沒有交尾 前與交尾後的隔離，由於平均交尾次數 都不低，雌性的異種再交尾率也有一定 的比例，推測輝顏果蠅與紅果蠅兩種雄 蟲的精子有機會在雌性生殖道中產生競 爭，即交尾後結合子前 (postmating prezygotic ) 的隔離。 四、計畫成果自評 這次的實驗雖然沒有在紅果蠅與輝顏 果蠅間發現明顯的生殖隔離，但由於其高 的再交尾率，我們相信在自然界中，交尾 後結合子形成前 (postmating prezygotic ) 的隔離機制是維持兩物種的遺傳組成不會 混合交流的主因，實驗室將會針對這個部 份繼續探討。 五、參考文獻
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