動物物種形成的生殖隔離機制研究進展

章譽興 吳宏 于黎

（云南大學省部共建云南生物資源保護與利用國家重點實驗室，生命科學學院，昆明 650500）

物種形成過程及其機制不僅是理解自然界生物多樣性現(xiàn)象的關(guān)鍵，也是長期困擾達爾文的“謎中之謎”，是進化生物學研究領(lǐng)域的核心命題之一。2005 年Science雜志公布的125 個亟待解決的重大前沿科學問題中，“什么決定了物種的多樣性”(Pennisi, 2005) 就是其中最重要的科學問題之一。對物種的認識或者如何去定義一個物種，是人們探究物種形成過程及其內(nèi)在機制的前提條件。目前，已有幾十種物種概念或定義被提出來 (張德興，2016)，其中接受度相對較高，有著一定代表性的是生物學種的概念。生物學種的定義認為物種之間沒有基因流，不同群體之間基因組的交換會破壞基因組的完整性 (Mayr, 1963)。但隨著分子生物學和基因組學的發(fā)展，越來越多的研究報道發(fā)現(xiàn)物種間并非是完全的生殖隔離，物種間是可以存在基因交流的 (Wu, 2001; Wanget al., 2020)，物種間的生殖隔離并不是絕對的“0”和“1”(即無或有)，而更應該是介于“0”至“1”的隔離程度。因此，有學者提出“生物學物種”概念應修訂為“種間生殖隔離程度遠大于種內(nèi)居群間生殖隔離程度”才更加符合實際情況 (劉建全，2016)。物種形成是指新物種從祖先物種中分化出來的演化過程，在該過程中伴隨著種間生殖隔離屏障的建立。物種形成的方式多樣，早期主要的物種形成理論是基于物種分化過程中種群的時空分布特征所提出的經(jīng)典物種形成模型，包括：異域物種形成 (Allopatric speciation)、鄰域物種形成 (Parapatric speciation) 和同域物種形成 (Sympatric speciation) (Mayr, 1942, 1963) 等。異域物種形成是指來自同一祖先物種的子嗣種群由于山脈、河流、海洋等地理屏障而被分隔為兩個相互隔離的群體，它們在長時間的地理隔離環(huán)境中產(chǎn)生不同方向的適應性進化，種群間的遺傳差異不斷積累，導致即便之前的地理隔離消失后，兩個種群再次接觸并發(fā)生雜交時產(chǎn)生了顯著的生殖不相容，減弱或阻斷了兩個群體間的基因交流，從而形成不同的物種 (李忠虎等，2014)。鄰域物種形成是指兩個大群體占據(jù)部分重疊的生境，但在種群地理分布的兩端，因生態(tài)位差異太大，該區(qū)域的不同亞群體由于對各自環(huán)境的適應性進化，最終形成不同的物種；但在兩個大種群生活的交界處，鄰近的亞群體間仍可以發(fā)生基因流，即雜交帶 (左家哺等，1995)。同域物種形成是指在同一地理區(qū)域分布的多個種群，雖然彼此間沒有顯著的地理隔離屏障，但由于該區(qū)域中存在著不同的生態(tài)位，導致每個種群產(chǎn)生出對各個獨特生態(tài)位的適應性進化，最終形成多個新物種 (Coyne, 2007)。

除了上述提到的物種形成方式外，先后還有20 余種物種形成模式被提出 (同號文，1997)，其中兩個物種通過雜交，融合了兩個親本的基因組，并快速形成新物種的方式，即雜交物種形成 (Hybrid speciation) (Mallet, 2007)，是適應性輻射類群中物種以及表型多樣性演化的重要作用機制(Marqueset al., 2019)。雜交物種形成根據(jù)其過程中是否有染色體數(shù)量的變化可以分為多倍體雜交物種形成 (Polyploidization hybrid speciation) 和同倍體雜交物種形成 (Homoploid hybrid speciation) (Abbottet al., 2013)。多倍體雜交物種形成是指雜交產(chǎn)生的后代染色體數(shù)目發(fā)生加倍，形成的雜交后代和親本的染色體數(shù)目不匹配，和親本回交產(chǎn)生后代的生殖細胞在減數(shù)分裂時通常無法正常分離，而使其與親本之間產(chǎn)生生殖隔離的過程。多倍化是植物中最為常見的雜交物種形成方式 (Rieseberg and Willis, 2007)。同倍體雜交物種形成是指雜交后代雖然和親本的染色體數(shù)目保持一致，但雜交后代仍能與親本間建立生殖隔離并最終形成獨立新物種的過程 (Vallejo-Marín and Hiscock, 2016)。同倍體雜交物種形成在早期被認為是罕見發(fā)生的，但是近年來陸續(xù)在昆蟲、鳥類、魚類以及哺乳動物中被報道 (Mavárezet al., 2006; Schumeret al.,2014; Lamichhaneyet al., 2015; Meieret al., 2017;Zouet al., 2022; Wuet al., 2023; Zhanget al.,2023; Lopeset al., 2023)，因此也被認為是動物物種快速形成的重要機制，促進了動物物種的多樣性形成。

無論是基于時空分布特征提出的異域、鄰域和同域物種形成，還是基于基因組的遺傳組成特征所描述的雜交物種形成模式，新產(chǎn)生的物種或者最初形成的雜交種群都要快速產(chǎn)生和建立起與其他物種或者親本物種的生殖隔離屏障以維持自身基因組的完整性和演化獨立性，才能最終形成新的物種。因此，物種形成過程實質(zhì)上是種群間生殖隔離效應或屏障建立的演化過程，對這一過程及其內(nèi)在遺傳機制的探究是我們理解生物多樣性現(xiàn)象的關(guān)鍵所在。本文將聚焦于動物類群，重點圍繞物種演化的獨立性，也就是物種間生殖隔離產(chǎn)生方式及其分子機制，進行系統(tǒng)闡述；同時，也探討目前動物類群中種間生殖隔離相關(guān)研究所面臨的瓶頸、挑戰(zhàn)和潛在機遇，為后續(xù)動物物種形成相關(guān)研究提供重要的參考和啟發(fā)。

1 生殖隔離機制

生殖隔離 (Reproductive isolation) 也稱生殖屏障 (Reproductive barrier)，是由遺傳決定的表型差異所造成的種群間基因流減少或受阻的現(xiàn)象 (Butlinet al., 2012)。根據(jù)發(fā)生時間及產(chǎn)生的效果，生殖隔離分為合子前隔離和合子后隔離 (Mallet and Mullen, 2022) (圖1)。

圖1 動物生殖隔離產(chǎn)生方式及其遺傳機制示意圖. 緊靠動物內(nèi)圈的色塊顏色對應于該動物的生殖隔離方式，同一物種下的多個色塊表示該物種有多種生殖隔離方式作用. 示意圖根據(jù)文獻 (Mavárez et al., 2006; Ishikawa et al., 2013; Trier et al., 2014; Lamichhaney et al., 2015;Meier et al., 2017; Bendall et al., 2017; Wang et al., 2018; Hench et al., 2019; Luo et al., 2020; Lu et al., 2020; Novikova et al., 2020; Turbek et al., 2021; Zou et al., 2022; Gao et al., 2022; Sun et al., 2022; Wu et al., 2023; Zhang et al., 2023; Lopes et al., 2023; Walsh et al., 2023; Bastide et al., 2023; Long et al., 2023) 修改繪制Fig.1 Schematic diagram of reproductive isolation in animals and its genetic mechanism. The color of the color patch immediately adjacent to the inner ring of the animal corresponds to the reproductive isolation mechanism of the animal, and multiple color patches under the same species indicate that the species has multiple reproductive isolation mechanisms. The diagram is drawn based on the modification of Mavárez et al. (2006), Ishikawa et al. (2013), Trier et al. (2014), Lamichhaney et al. (2015), Meier et al. (2017), Bendall et al. (2017), Wang et al. (2018), Hench et al.(2019), Luo et al. (2020), Lu et al. (2020), Novikova et al. (2020), Turbek et al. (2021), Zou et al. (2022), Gao et al. (2022), Sun et al. (2022),Wu et al. (2023), Zhang et al. (2023), Lopes et al. (2023), Walsh et al. (2023), Bastide et al. (2023) and Long et al. (2023)

1.1 合子前隔離 (Prezygotic isolation)

合子前隔離是指發(fā)生在交配前，阻礙受精和形成合子的生殖隔離效應。許多研究認為在物種分化過程中，合子前隔離是比合子后隔離更重要或是更早出現(xiàn)的隔離效應，是生殖隔離的最大貢獻者 (Schemske, 2010; Nanda and Singh, 2012;Vallejo-Marín and Hiscock, 2016)。但也有研究發(fā)現(xiàn)在一些類群的物種分化或物種形成過程中，并沒有明顯的合子前隔離效應存在 (Satoet al., 2018)。對動物而言，合子前隔離主要包括地理隔離、時間隔離、生態(tài)隔離、行為隔離、機械隔離以及配子隔離等。

地理隔離 (Geographical isolation) 是指各群體占據(jù)不同的地理區(qū)域，由于高山、海洋等地形地勢阻礙，使彼此的群體間沒有交配機會而產(chǎn)生合子前隔離 (Wiens, 2004)。例如Loretán 等 (2019) 發(fā)現(xiàn)由于南美洲地區(qū)烏拉圭和帕拉納河流之間被塞拉中央山脈隔開，使兩個地區(qū)的淡水蟹 (Aegla singularis) 基因交流中斷，兩個種群發(fā)生遺傳分化并在形態(tài)上產(chǎn)生顯著差異。這表明來自烏拉圭和帕拉納河流的淡水蟹，由于地理隔離以及隨之而來的基因流動中斷使物種多樣化，兩個地區(qū)的種群之間正處于各自物種形成的過程中。

時間隔離 (Temporal isolation) 也稱季節(jié)隔離(Seasonal isolation)，是指由于不同動物種群間的發(fā)情期、交配期不同而產(chǎn)生的隔離 (Tomaiuoloet al.,2007)。例如生活在亞速爾群島的斑腰叉尾海燕(Oceanodroma castro) 類群，有的在5—7 月繁殖，有的在10—12 月繁殖。Friesen 等 (2007) 研究表明，異時繁殖使得在同一島嶼的不同種群發(fā)生遺傳分化產(chǎn)生了生殖隔離，導致形成不同的物種。

生態(tài)隔離 (Ecological isolation) 是指多個物種雖然占據(jù)同一片地理區(qū)域，但它們卻占據(jù)著不同的生態(tài)位，彼此間產(chǎn)生適應性差異，包括食性差異、局部環(huán)境差異等，導致物種間生態(tài)隔離 (Jezkova and Wiens, 2018)。例如不同的食物營養(yǎng)類型(浮游生物、底棲動物、陸生昆蟲)、耐鹽性 (淡水、咸水) 促進了日本北海道同一水域中的多刺魚(Pungitius) 物種間的生殖隔離 (Ishikawaet al.,2013)。Castro-Insua 等 (2018) 探究了92 個陸生哺乳動物物種多樣化與氣候生態(tài)位之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)哺乳動物的物種多樣性與生態(tài)位差異和生態(tài)位變化率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明生態(tài)隔離在促進物種形成中的重要作用。

行為隔離 (Ethological isolation) 也稱性隔離(Sexual isolation)，是指動物由于存在擇偶偏好，不同物種的兩性個體間缺乏吸引力，阻止了不同物種間的交配而產(chǎn)生的隔離 (Nanda and Singh,2012)。動物的擇偶受毛色、鳴叫聲、體型、感官系統(tǒng)差異等一種或多種因素的影響。例如在南美洲同域分布的兩種食籽雀Sporophila iberaensis和S.hypoxantha通過毛色和鳴叫聲差異建立合子前隔離，促進了食籽雀類群的物種分化 (Turbeket al., 2021)。非洲維多利亞湖地區(qū)的慈鯛魚 (Cichlid fishes) 在過去15 萬年的時間里通過雜交形成七百多個不同物種，在這個過程中，慈鯛魚通過視覺、聽覺以及嗅覺識別同種或異種，建立了行為隔離(Seehausenet al., 2008; Meieret al., 2017; Rometschet al., 2020)。Mavárez 等 (2006) 研究發(fā)現(xiàn)袖蝶屬 (Heliconius) 中的富麗袖蝶 (Heliconius heurippa) 是由青杉黃袖蝶 (Heliconius cydno) 和紅帶袖蝶(Heliconius melpomene) 雜交而來，并且產(chǎn)生了介于兩個親本間的獨特表型 (青杉黃袖蝶雙翅以黑色為背景色，帶有黃色斑紋；紅帶袖蝶雙翅以黑色為背景色，帶有紅色斑紋；而富麗袖蝶雙翅以黑色為背景色，同時帶有黃色和紅色斑紋)。研究人員在配偶選擇實驗中發(fā)現(xiàn)袖蝶屬物種通過翅膀圖案識別配偶，雄性均傾向于選擇有相似翅膀圖案的雌性。此外，袖蝶屬中與化學交流有關(guān)的化學感受差異也在生殖隔離中起作用，化學感受可傳達或接收個體的健康情況、生殖狀況等信息以利于袖蝶屬物種擇偶 (Wuet al., 2022)。有意思的是，Wu 等 (2023) 在金絲猴屬 (Rhinopithecus) 物種中發(fā)現(xiàn)通過川金絲猴 (Rhinopithecus roxellana) 與滇金絲猴/緬甸金絲猴 (Rhinopithecus bieti/Rhinopithecus strykeri) 祖先群發(fā)生的古老雜交事件產(chǎn)生了雜交物種黔金絲猴 (Rhinopithecus brelichi)。雜交起源的黔金絲猴形成了介于川金絲猴和滇金絲猴/緬甸金絲猴之間的獨特毛色 (川金絲猴通體為黃色毛發(fā)，滇金絲猴、緬甸金絲猴通體以黑色或黑白毛發(fā)為主，黔金絲猴則是黑灰色-黃色“馬賽克式”的鑲嵌毛發(fā))。研究人員推測物種間的毛色差異可能有助于黔金絲猴和其兩個親本之間建立合子前隔離。除了金絲猴屬物種以外，在靈長類的另外一個類群，獼猴屬 (Macaca) 中發(fā)現(xiàn)食蟹猴種組 (恒河猴Macaca mulatta、食蟹猴Macaca fascicularis和日本獼猴Macaca fuscata) 是由獅尾猴種組 (北豚尾猴Macaca leonina、獅尾猴Macaca silenus、豚尾猴Macaca nemestrina、黑冠獼猴Macaca nigra和湯基獼猴Macaca tonkeana) 和斯里蘭卡種組 (藏酋猴Macaca thibetana、熊猴Macaca assamensis和短尾猴Macaca arctoides) 在3.45 ～ 3.56 個百萬年前雜交形成。食蟹猴種組的性皮膚特征介于兩個親本之間 (斯里蘭卡種組有亮紅色且腫脹的性皮，獅尾猴種組無紅色性皮且不腫脹，雜交起源的食蟹猴種組有亮紅色但不腫脹的性皮) (Zhanget al.,2023)。在靈長類動物中，性皮膚顏色能夠表征動物個體的社會地位，影響動物的性選擇 (Bradley and Mundy, 2008)。因此推測獼猴物種間性皮膚的差異介導了獼猴屬種間的選型交配，促進了合子前隔離 (Zhanget al., 2023)。

機械隔離 (Mechanical isolation) 是指由于不同動物物種的生殖器形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，無法成功交配而導致的合子前生殖隔離 (陳婕等，2016)。在許多昆蟲和其他類群中，近緣物種間的生殖器官在形態(tài)上往往都存在較大差異，所以很早就有人提出，每個物種雄性個體的生殖器官是一把特殊的“鑰匙”，只能打開同種雌性個體的“鎖”(Kamimura and Mitsumoto, 2012)。例如Drosophila santomea果蠅和Drosophila yakuba果蠅之間的生殖器存在差異，雄性Drosophila yakuba果蠅生殖器上有一對刺，雌性Drosophila yakuba果蠅則在生殖器處有一個類似口袋的結(jié)構(gòu)確保在交配時容納雄性的刺。而雄性Drosophila santomea果蠅個體的刺已退化，并且雌性Drosophila santomea果蠅也沒有口袋結(jié)構(gòu)。當雄性Drosophila yakuba果蠅與雌性Drosophila santomea果蠅交配時，由于不同物種兩性間的生殖器不適配，雌性Drosophila santomea果蠅會被雄性Drosophila yakuba果蠅的刺刺傷，導致受精失敗而產(chǎn)生兩個物種間的合子前隔離 (Kamimura and Mitsumoto, 2012)。

配子隔離 (Gametic isolation) 是指行有性繁殖的不同物種間的雌性卵細胞與雄性的精細胞不相容，無法形成合子的合子前隔離機制 (Lobovet al., 2019)。例如同一種群的孔雀魚 (Poecilia reticulata) 更傾向于與同類的雄性個體交配受精，從而產(chǎn)生后代 (Ludlow and Magurran, 2006)。對于在外部產(chǎn)卵的水生動物而言，配子隔離尤其重要，可以防止同一物種的生殖細胞與其他物種的結(jié)合并產(chǎn)生受精作用。例如生態(tài)位部分重疊的紫殼菜蛤(Mytilus edulis) 和油黑殼菜蛤 (Mytilus trossulus)，隨著物種間遺傳距離的增加，配子不相容也更加突出，防止二者間產(chǎn)生雜交后代 (Rawsonet al.,2003)。

不同的合子前隔離方式之間并不是獨立起作用的，往往是一個或多個方式的共同作用而起到最終的生殖隔離效應。例如綠蟌屬的Enallagma anna和Enallagma carunculatum由于生殖器結(jié)構(gòu)的差異阻礙了兩物種間的交配和繁殖；同時，觸覺系統(tǒng)，即雄性腹部有兩對抱握器，交配時雄性會通過抱握器抓住雌性的胸部以形成“串聯(lián)”姿勢來進行交配。當不同物種的抱握器與胸部結(jié)構(gòu)不匹配時，會導致雌性拒絕交配 (Barnardet al.,2017)。斜口裸鯉 (Gymnocypris eckloni scoliostomus) 和花斑裸鯉 (Gymnocypris eckloni eckloni) 在食物選擇和繁殖季節(jié)上存在差異，斜口裸鯉以浮游生物為食，花斑裸鯉以浮游生物、底棲生物、藻類、水生植物和小魚為食；斜口裸鯉在7月產(chǎn)下粉紅色的卵，花斑裸鯉在4 月和5 月產(chǎn)下黃色的卵(Sunet al., 2022)。因此，食性差異促使斜口裸鯉和花斑裸鯉適應不同的生態(tài)位，而繁殖時間的差異促使二者時間隔離。除了裸鯉以外，魚類中的三刺魚 (Gasterosteus aculeatus) 除受環(huán)境差異影響產(chǎn)生生態(tài)隔離外，還存在擇偶偏好。雌性多刺魚傾向于與相似體型、形狀和生態(tài)位的雄性多刺魚交配，有助于物種的維持 (Bayet al., 2017)。在哺乳動物中，Lopes 等 (2023) 研究發(fā)現(xiàn)秘魯海狗是40 萬年前由南美海狗 (Arctocephalus australis) 和加拉帕戈斯海狗 (Arctocephalus galapagoensis) 雜交產(chǎn)生。生態(tài)位差異 (加拉帕戈斯海狗生活在赤道線上，處于熱帶氣候；南美海狗生活范圍北至智利南部，南至加拉帕戈群島，處于溫帶氣候甚至更冷；秘魯海狗也在距離兩個親本2 000 km 以外生活) (Lopeset al., 2023)、體型差異 (秘魯海狗頭骨比南美海狗大) (de Oliveiraet al., 2008) 以及繁殖時間差異 (南美海狗和秘魯海狗交配繁殖時間相差1 個月) (Pavéset al., 2016) 可能促進了海狗物種間的合子前隔離。

1.2 合子后隔離 (Postzygotic isolation)

合子后隔離是指來自不同物種的個體，它們雖然能夠進行交配并發(fā)生受精作用，但是無法形成可以正常發(fā)育的受精卵或產(chǎn)生的子嗣個體由于生存力和繁殖力缺陷等原因無法形成穩(wěn)定的種群，雜種不活或適合度下降的生殖隔離效應 (Rometschet al., 2020)。根據(jù)雜交子嗣群的適合度變化與其所處的外界環(huán)境是否有關(guān)，合子后隔離又可分為外在合子后隔離 (Extrinsic postzygotic isolation) 和內(nèi)在合子后隔離 (Intrinsic postzygotic isolation)(Rometschet al., 2020)。當兩個物種雜交產(chǎn)生的雜交個體在兩個親本物種的生境中均無法適應、交配或繁殖率降低時，該現(xiàn)象被稱為外在合子后隔離 (Schluter, 2009)。例如Rundle (2002) 研究了占據(jù)不同生態(tài)位 (底棲型和湖泊型) 三刺屬 (Gasterosteus) 的2 個種以及它們雜交種的生長情況，發(fā)現(xiàn)雜交種生長速度慢于親本，在兩個親本所處的生態(tài)位中適應性較低，表明該類群種間的外在合子后隔離。在松葉蜂科 (Diprionidae)Neodiprion屬中，N.pinetum寄生于針葉更細的北美喬松上，而N.lecontei寄生于除北美喬松的其他針葉更粗的喬松上 (Bendallet al., 2017)。松葉蜂在寄主上交配，雌性個體通過產(chǎn)卵器將卵嵌入到寄主組織中，在寄主上完成幼蟲的發(fā)育。松葉蜂的產(chǎn)卵性狀 (比如產(chǎn)卵的數(shù)量、產(chǎn)卵器切割針葉的深度等) 以及寄主的針葉特征 (比如針葉的針寬和樹脂含量) 與產(chǎn)卵的成功率息息相關(guān)。與兩個親本物種相比，雜交產(chǎn)生的后代產(chǎn)卵成功率降低，證明產(chǎn)卵性狀差異有助于N.pinetum和N.lecontei二者之間的外在合子后隔離 (Bendallet al., 2017)。當兩個物種發(fā)生雜交時，由于各個親本內(nèi)部原本固定和穩(wěn)定的基因組功能被擾亂而使雜交個體或者子嗣發(fā)生不依賴于外界環(huán)境的發(fā)育致死或者不孕不育時，該現(xiàn)象被稱為內(nèi)在合子后隔離。例如雌性黑腹果蠅(Drosophila melanogaster) 與雄性擬果蠅 (Drosophila simulans) 雜交產(chǎn)生的雄性后代不能正常發(fā)育，在幼蟲發(fā)育過程中便死亡，雌性后代雖可存活，但不孕 (Cooperet al., 2019)；家牦牛 (Bos Grunniens) 和普通牛 (Bos Taurus) 的雜交后代——犏牛表現(xiàn)為雄性不育 (Liet al., 2020)。

自然界新物種的產(chǎn)生不一定只是一種生殖隔離方式阻斷物種間基因流的結(jié)果，而是多種隔離障礙相互組合的作用產(chǎn)物 (Butlin and Smadja,2018)。例如研究者發(fā)現(xiàn)快速輻射類群慈鯛魚物種間的強生殖隔離需要結(jié)合交配前的合子前隔離，并輔以內(nèi)在和外在的合子后隔離，最終促進并維持慈鯛魚的物種多樣性 (Rometschet al., 2020)。

2 生殖隔離的遺傳基礎(chǔ)

物種的形成過程受到各種因素影響，但這些因素最終都會反映到物種種群遺傳物質(zhì)的改變和分化上。研究生殖隔離的遺傳基礎(chǔ)或分子機制對理解物種如何形成并維持獨立性至關(guān)重要，從而才能更好回答物種多樣性形成的進化驅(qū)動力。

2.1 合子前隔離的遺傳基礎(chǔ)

自然選擇是塑造物種形成的驅(qū)動力，一些為適應生態(tài)環(huán)境而衍生出的性狀往往會觸發(fā)生殖隔離 (Highamet al., 2016)。例如Lamichhaney 等在不同喙大小的達爾文雀 (Coerebini) 的基因組中發(fā)現(xiàn)了兩個高度遺傳分化且影響達爾文雀喙形態(tài)的基因；其中，喙的形狀可能受ALX1基因調(diào)控，喙的大小可能受HMGA2基因調(diào)控。喙的差異使達爾文雀不同物種能夠適應不同的食物資源，使其占據(jù)不同的生態(tài)位，實現(xiàn)生態(tài)隔離。與此同時，達爾文雀在擇偶時也會根據(jù)喙的大小和形狀等特征來區(qū)分同類和其他物種，有助于行為隔離 (Lamichhaneyet al., 2015, 2018)。高山倭蛙 (Nanorana parkeri) 在青藏高原上分為東和西兩個群體，兩個群體基因組中大部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)高度遺傳分化，能有效阻礙種間的基因滲透，而且這些遺傳區(qū)域的功能基因均能顯著富集到與生殖性狀相關(guān)生物學過程或調(diào)控通路中，提示高山倭蛙的東、西群體之間已存在生殖隔離，可能是兩個不同的物種。此外，東部高山倭蛙在高海拔和低海拔地區(qū)均有分布，進一步分析發(fā)現(xiàn)與心臟功能相關(guān)的TNNC1和ADORA1基因，與缺氧相關(guān)的DNAJC8和LAMB3基因在不同海拔群體中表達水平明顯不同，提示高海拔適應在推動和維持物種分化以及生殖隔離方面發(fā)揮了不容小覷的作用 (Wanget al.,2018)。

除了生態(tài)適應過程中產(chǎn)生的表型外，選型交配也會促使一些表型性狀的產(chǎn)生 (Servedioet al.,2011)。例如雜交物種意大利麻雀 (Passer italiae)已經(jīng)與兩個親本：家麻雀 (Passer domesticus) 和西班牙麻雀 (Passer hispaniolensis) 間存在生殖隔離(Trieret al., 2014)。意大利麻雀的基因組中存在多個與兩個親本高度分化的基因，比如與黑色素合成相關(guān)的APC、BNC2、KCNN2和WNT4等基因；與視覺有關(guān)的OLFML2B基因；與喙形態(tài)發(fā)育有關(guān)的BMP、PTCH1基因。與黑色素合成相關(guān)的基因?qū)е乱獯罄槿赋尸F(xiàn)出不同于親本物種的獨特馬賽克羽毛性狀；而與視覺相關(guān)的基因則導致意大利麻雀、西班牙麻雀以及家麻雀能通過毛色來辨別物種，從而促進物種間基于毛色差異的性選擇；而與喙形態(tài)發(fā)育有關(guān)的基因促進意大利麻雀、西班牙麻雀以及家麻雀喙的分化，有助于適應不同的覓食生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生生態(tài)隔離 (Baileyet al.,2015; Elgvinet al., 2017; Runemarket al., 2018)。此外，在昆蟲的研究中發(fā)現(xiàn)袖蝶屬的翅膀著色主要由optix、WntA和cortex三個基因調(diào)控 (Merrilletal., 2019)，其中optix可能調(diào)控翅膀的紅色著色(Reedet al., 2011)，WntA可能作用于著色前期，提前錨定圖案區(qū)域 (Mazo-Vargaset al., 2017)，而cortex可能通過調(diào)控鱗片細胞發(fā)育來調(diào)節(jié)色素沉著模式 (Nadeauet al., 2016)，這些基因中的遺傳突變造就了青杉黃袖蝶和紅帶袖蝶的翅膀著色模式差異，引起雄性袖蝶的擇偶偏好，導致產(chǎn)生行為隔離。除了翅膀著色模式差異驅(qū)動性選擇使物種間產(chǎn)生合子前隔離外，識別化學信號和特定行為的化學感受對物種間的生殖隔離也尤為重要。Wu等 (2022) 基于不同物種、不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，相比于足、口器等化學感受器管，觸角在袖蝶屬中具有獨特的化學感受功能，并且可能在生殖隔離中發(fā)揮更重要作用。袖蝶屬物種間有多個與氣味結(jié)合、嗅覺受體活性和嗅覺知覺等相關(guān)的差異表達基因，這些差異表達基因在物種間表現(xiàn)出低混雜性，表明這些基因可能有助于合子前生殖隔離；Zhang等 (2021) 基于基因組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)袖蝶屬中存在高度分歧的基因組區(qū)域L，該區(qū)域包含4 個與運動有關(guān)的基因：Col4α1、Vkg、Oseg4和na，功能實驗證明這4 個基因會影響果蠅的飛行能力。作者推測不同的運動能力可能有助于袖蝶屬中的不同蝴蝶物種占據(jù)不同生態(tài)位，從而產(chǎn)生生態(tài)隔離。Hench等 (2019) 發(fā)現(xiàn)顏色各異的低紋鮨屬魚 (Hypoplectrus) 物種間的基因組上顯示出高分化的4個基因組間隔，這些基因組間隔中包含與脊椎動物視覺、色素沉著或圖案相關(guān)的基因(色素沉著相關(guān)的SOX10，軸向模式的hoxc13a，光感受器發(fā)育的casz1，視覺敏感性的SWS和LWS視蛋白)，這些基因在物種間的遺傳分化驅(qū)使低紋鮨屬魚的顏色多樣化，使不同物種間通過基于視覺的選型交配產(chǎn)生合子前生殖隔離。哺乳動物的研究中發(fā)現(xiàn)，在亞洲黑熊 (Ursus thibetanus) 的雜交物種形成事件中，亞洲黑熊通過對兩個親本體重變化相關(guān)基因 (AKT2、PⅠD1、MKRN1和PRKAB1)的分選和重組而產(chǎn)生區(qū)別于親本體型的中等體型，借此有可能產(chǎn)生了與親本的合子前隔離 (Zouet al., 2022)；在靈長類金絲猴屬物種中發(fā)現(xiàn)，雜交起源的黔金絲猴分別從兩個親本處繼承了與毛色形成相關(guān)的多個基因，例如從川金絲猴中繼承了與黃色毛發(fā)有關(guān)的SLC45A2基因，從滇金絲猴/緬甸金絲猴中繼承了與黑色毛發(fā)有關(guān)的PAH基因，導致黔金絲猴呈現(xiàn)出獨特的黑灰色-黃色“馬賽克式”的鑲嵌毛發(fā)，從而在外貌上與兩個親本區(qū)分。這種差異可能促進金絲猴物種間形成合子前生殖隔離 (Wuet al., 2023)；在獼猴屬中發(fā)現(xiàn)食蟹猴種組、獅尾猴種組和斯里蘭卡種組的生殖器形態(tài)差異可能與編碼UDP 葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶的UGT1A9基因有關(guān)，該基因可促進雌激素的降解，與性腫脹有著緊密的關(guān)系，因此，性特征差異促進的選型配對行為在食蟹猴種組中雜交種的起源和維持上起著重要作用 (Zhanget al., 2023)。

2.2 合子后隔離的遺傳基礎(chǔ)

關(guān)于合子后隔離遺傳基礎(chǔ)或分子機制的相關(guān)研究，人們主要聚焦于種間雜交事件發(fā)生后雜交群的生存力和繁殖力等變化的過程。目前，主要從遺傳不兼容模型、霍爾丹法則、染色體重排、染色體數(shù)量變化以及表觀遺傳修飾等幾個方面展開對合子后隔離分子機制的探究，并以此鑒定出了許多與生殖隔離有關(guān)的物種形成基因。

2.2.1 遺傳不兼容模型 (Bateson-Dobzhansky-Muller incompatibility, BDMI)

Bateson (1909)、Dobzhansky (1937) 和Muller(1942) 先后提出了種間雜交導致的遺傳不相容進化模型。該模型認為種間雜交產(chǎn)生的子嗣不育或不存活是由于兩個或兩個以上功能相互作用的基因座或遺傳區(qū)域在兩個親本物種中獨立進化后，通過種間雜交方式在雜交種基因組中重新組合時由于親本積累的互作基因?qū)χ械任换蜷g的不適配而引起的功能紊亂和適合度下降 (Mack and Nachman, 2017, Satokangaset al., 2020)。具體而言，在二倍體生物中，假設(shè)祖先群體在兩個互作基因座上的固有適配基因型為AABB，當祖先群體分化為兩個子嗣群體后，各自群體中這兩個基因座上的基因型分別突變和固定為AAbb 和aaBB，Ab 和aB等位基因型組合與祖先AB 型的組合適合度上沒有差異，但a 和b 兩種基因型的互作則不兼容。當基因型為AAbb 的個體和基因型為aaBB 的個體發(fā)生雜交時，它們的后代將產(chǎn)生AaBb 基因型，由于等位基因a 和b 之間的負上位相互作用 (即兩個獨立基因之間的相互作用導致不利的生物學效應)，降低了雜交個體的生存力和繁殖力，產(chǎn)生合子后生殖隔離 (Cutter, 2012)。

果蠅的種間雜交實驗是闡釋遺傳不兼容模型的經(jīng)典案例。大部分合子后隔離相關(guān)基因的分子機制研究集中在黑腹果蠅和擬果蠅，以及擬果蠅和毛里求斯果蠅 (Drosophila mauritiana) 的雜交不育或雜交雄性不育實驗。通過果蠅的雜交實驗發(fā)現(xiàn)，Odysseus、Hmr、Nup98、Zhr、JYalpha、Lhr、Nup96、Nup160等導致果蠅種間合子后隔離的基因或者也叫物種形成基因 (Tinget al., 1998; Barbashet al., 2003; Presgraveset al., 2003;Brideauet al., 2006; Mallet, 2006; Ferree and Barbash, 2009;Tang and Presgraves, 2009)，其中雌性黑腹果蠅與雄性擬果蠅雜交后，由于雌性黑腹果蠅上X 連鎖的Hmr基因與雄性擬果蠅常染色體上Lhr基因間的不相容作用，導致F1 代雄性致死 (Brideauet al.,2006)。此外，也發(fā)現(xiàn)擬果蠅常染色體上的Nup160基因和Nup96基因與黑腹果蠅X染色體上某個因子不相容，導致雜交致死 (Tang and Presgraves,2009)。在小鼠中，研究人員發(fā)現(xiàn)了第一個也是唯一被報道的哺乳動物雜交不育基因——PRDM9，該基因編碼一種減數(shù)分裂特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，可預先確定減數(shù)分裂重組熱點的位置 (Paigen and Petkov, 2018)。當兩個分化的小鼠亞種 (Mus musculus和Mus domesticus) 發(fā)生雜交時，由于PRDM9與X 連鎖基因座 (Hstx2) 間的遺傳不兼容，導致雜交小鼠的雄性不育 (Forejtet al., 2021; Valiskovaet al., 2022)。在劍尾魚屬中，研究人員發(fā)現(xiàn)XMRK和Rab3d之間的遺傳不兼容作用可能導致花斑劍尾魚 (Xiphophorus maculatus) 和青劍尾魚 (Xiphophorus hellerii) 之間的雜交種產(chǎn)生致命的黑色素瘤，導致雜交種無法存活，降低了雜交種的適合度 (Scarpinoet al., 2013; Luet al., 2020)。

除了可以通過人為雜交實驗的方式探究動物的合子后隔離分子機制并鑒定出關(guān)鍵的隔離基因或物種形成基因外，自然界中普遍存在的種間雜交動物類群也為我們提供了關(guān)于生殖隔離過程和分子機制研究的重要模型 (Mallet, 2005)。例如在意大利麻雀的雜交物種形成案例中，在意大利麻雀中篩選出與兩個親本間建立生殖隔離的候選不兼容基因，包括RPS4、CHD2D、HSDL2、ND2等(Hermansenet al., 2014; Trieret al., 2014)。在亞洲黑熊物種形成研究中，研究人員除了發(fā)現(xiàn)與體型大小相關(guān)的基因之外，還發(fā)現(xiàn)亞洲黑熊基因組中從親本中分選、重組和固定了多個與生殖性狀相關(guān)的基因，例如FⅠGLA、HSD17B12、MDM4、AGBL5、G1GALT1、GORASP2等，這些基因可能涉及BDMI不親和性，引發(fā)亞洲黑熊與兩個親本之間的合子后隔離 (Zouet al., 2022)。在黔金絲猴的雜交物種形成案例中也分選和固定了在親本間高度分化、有生殖性狀過程相關(guān)的67個正選擇基因，它們可能促進并導致了黔金絲猴與親本合子后生殖隔離的建立 (Wuet al., 2023)。在食蟹猴種組的雜交事件中，食蟹猴種組也分別從兩個親本中繼承了多個與生殖性狀相關(guān)的基因，例如UGT1A9、ADAM20、WFDC2、FANCF、DMRTC2、SⅠAH1、POC1A、PRLR、PTPN11、KCNU1和MSH6等(Zhanget al., 2023)。

物種形成過程是一個持續(xù)的過程，當種群分布范圍擴張或種群間的地理隔離消失時，還沒有完全生殖隔離的異域種群常常會發(fā)生二次接觸并產(chǎn)生自然雜交區(qū)；此時該區(qū)域的種群可能處于物種形成的不同階段，研究者也對自然界中不完全生殖隔離的物種進行了研究，以此探究不同進化時間尺度下生殖隔離建立的演化機制 (Abbottet al., 2013)。生活在青藏高原的青海沙蜥 (Phrynocephalus vlangalii) 和貴德沙蜥 (Phrynocephalus putjatai) 大約在3.79 ～ 5.06 個百萬年前分化，隨著150 萬年前共和古湖的消退，這兩個在形態(tài)和遺傳組分上已分化的物種在該區(qū)域發(fā)生了二次接觸(Gaoet al., 2022)。Gao 等 (2022) 從基因組層面解析這兩個物種生殖隔離的形成和維持機制，發(fā)現(xiàn)在青海沙蜥和貴德沙蜥的基因組高分化區(qū)富集到與生殖有關(guān)的雌激素受體和減數(shù)分裂等通路，并鑒定出與精子形成、受精過程、不孕、減數(shù)分裂有關(guān)的ESR1、TEX11、TCP11、TGⅠF2、PRSS21等基因，提示可能是這些基因促進了青海沙蜥和貴德沙蜥生殖隔離的建立，并且兩物種間的生殖隔離依靠歧化選擇 (自然選擇作用使影響某些性狀的遺傳位點在不同的種群中向著不同的方向適應和進化) 和高分化區(qū)的低重組來維持。除了利用自然界中形成的模型系統(tǒng)—雜交帶來探究物種形成機制，家養(yǎng)動物也是研究物種形成過程中種群分化初期的生殖隔離分子機制的優(yōu)秀模型 (Xieet al.,2021)。Xie 等 (2021) 使用歐洲大白豬和東北民豬雜交及其子嗣群體，探索物種形成初期階段的生殖隔離和遺傳結(jié)構(gòu)的進化，研究表明，歐洲大白豬和東北民豬的雜交后代部分不能存活，進一步的研究發(fā)現(xiàn)常染色體上的多個遺傳不兼容位點已經(jīng)在不同家豬品系中演變出了微弱的生殖隔離，遺傳不兼容基因主要富集于血管生成、雄激素受體信號通路以及T細胞受體信號通路，提示生殖隔離可能與生長發(fā)育以及免疫等方面的選擇作用有關(guān)。

2.2.2 霍爾丹法則 (Haldane’s rule)

霍爾丹法則是在1922年由Haldane提出，認為兩個物種雜交后代的異配子性 (XY 或ZW) 比同配子性 (XX 或WW) 更有可能不育或不能存活，即在XY 性別決定的動物中，雄性雜種可能不育或不能存活；在ZW 性別決定的動物中，雌性雜種可能不育或不能存活，提出性染色體在物種間生殖隔離即物種形成過程中發(fā)揮著更加重要的作用 (Haldane, 1922)。在XY 性別決定系統(tǒng)中，不親和基因也傾向于在X染色體上更快地積累，也就是大X效應或Coyne 法則 (Kopaniaet al., 2022)。例如D.mauritiana和D.sechellia果蠅雜交產(chǎn)生正常的F1代雌性，但是雄性不育?；亟话l(fā)現(xiàn)導致雜交雄性不育的滲入片段不是隨機在基因組中分布，而是大部分與X 染色體連鎖，導致雜交雄性不育的不相容性 (Masly and Presgraves, 2007)。

研究者用顯性理論、Faster-X 理論、Fastermale 理論、減數(shù)分裂驅(qū)動理論等來解釋霍爾丹法則 (Delph and Demuth, 2016)。顯性理論指當性染色體上存在隱性不親和等位基因時，隱性不親和等位基因在異配子 (XY 雄性或ZW 雌性) 個體中存在時會導致不育或不能存活，但在同配子 (XX 雌性或WW 雄性) 個體中就會被野生型的顯性等位基因所掩蓋，仍然能產(chǎn)生健康可育后代 (Turelli and Orr, 1995)。例如在ZW/ZZ 性別決定的拍達袖蝶(Heliconius pardalinus) 中，兩個亞種 (Heliconius pardalinus butleri和Heliconius pardalinus sergestus)雜交產(chǎn)生的F1 代雌性不育，研究發(fā)現(xiàn)雜交種不育與性別有關(guān)，Z 染色體與多條常染色體有強烈的上位相互作用，并鑒定出多個可能參與卵子發(fā)生的基因，比如Z 染色體上的Egfr、magu，11 號染色體上的baz，這些基因會導致雜交種卵巢中沒有發(fā)育中的卵母細胞 (Rosseret al., 2022)。Faster-X 理論指不親和基因在性染色體上會更快被固定，基因在X 染色體上比常染色體進化更快 (Koevoets and Beukeboom, 2009)。例如在果蠅中發(fā)現(xiàn)X 染色體比常染色體能更快地積累非同義突變，表明X染色體進化速度更快 (Musterset al., 2006)。Fastermale 理論指由于精子發(fā)生容易被破壞或者性選擇驅(qū)動雄性突變積累速度快于雌性，雜交雄性不育位點比雜交雌性不育位點積累得更快 (Wu and Davis, 1993)。在果蠅的種間雜交實驗中發(fā)現(xiàn)，導致雄性不育的基因組區(qū)域多于雌性以及控制精子發(fā)生的基因進化速率更快 (Hollocher and Wu, 1996)。減數(shù)分裂驅(qū)動理論指性染色體上的驅(qū)動因素和抑制因子之間的差異導致不育 (Frank, 1991; Hurst and Pomiankowski, 1991; Cowell, 2023)。例如毛里求斯果蠅和擬果蠅的雜交后代性別比例嚴重失衡，是來自毛里求斯果蠅中的tmy基因與來自擬果蠅的性染色體互作不兼容作用導致的 (Taoet al.,2001)。

2.2.3 染色體重排 (Chromosomal rearrangement)

染色體的結(jié)構(gòu)在維持基因組功能完整性和物種形成方面具有重要意義 (Butlin, 2005)。染色體重排是由于基因組中DNA 雙鏈在不同位置斷裂，末端重新連接后形成新染色體的過程，包括染色體片段的缺失、重復、倒位、易位 (張得芳，2017)。染色體片段的缺失是指染色體上部分片段丟失，伴隨著該片段上的基因也丟失；重復是指染色體上多出了某一片段的拷貝；倒位是指染色體上部分片段從兩端斷開，旋轉(zhuǎn)180°后重新連接在染色體上，該片段上的基因也隨之重排；易位是指一染色體上的部分片段從兩端斷開，隨后連接到另一染色體上，該片段上的基因也隨之轉(zhuǎn)移。染色體重排能夠打亂雜交種中的細胞減數(shù)分裂過程，引起雜種不育，從而降低與親本間的基因流，促進新物種形成 (Butlinet al., 2012)。

染色體重排特別是染色體倒位在物種形成過程中至關(guān)重要。由于倒位可以抑制重組，并在性染色體上更快積累有害突變和基因組合，因此性染色體上的倒位可作為有效的生殖隔離障礙，在物種形成初期發(fā)揮重要作用 (Walshet al., 2023)。例如果蠅屬中，在Drosophila pseudoobscura和Drosophila persimilis的雜交案例中發(fā)現(xiàn)X 染色體右臂和2號染色體上的倒位導致果蠅雜交種不育并伴隨雌性擇偶偏好 (Nooret al., 2001)。在不吉按蚊(Anopheles funestus) 中的染色體倒位與生存能力和交配表型關(guān)聯(lián)，倒位會促進不吉按蚊的選型交配，從而抑制正常染色體的個體與含有倒位染色體的個體交配 (Ayalaet al., 2013)。橙腹擬鸝 (Ⅰcterus galbula) 和布氏擬鸝 (Ⅰcterus bullockii) 的分歧時間大約在35 萬年前，演化出了不同的羽毛性狀，但是它們在北美中西部的平原和河谷地帶仍存在廣泛的雜交。基因組分析發(fā)現(xiàn)，與常染色體相比Z染色體更明顯分化，并且在Z 染色體上檢測到43.57 Mb 的倒位，該倒位區(qū)域顯著富集到與眼睛感光細胞分化、視網(wǎng)膜形態(tài)發(fā)生等過程相關(guān)的基因，提示倒位通過抑制重組，維持了負責橙腹擬鸝和布氏擬鸝物種間不同羽毛類型的視覺感官感知的基因復合物，從而促進并維持橙腹擬鸝和布氏擬鸝物種間的生殖隔離 (Walshet al., 2023)。此外，在同域分布的海倫閃蝶 (Morpho helenor)、雙列閃蝶 (Morpho achilles) 和夢幻閃蝶 (Morpho deidamia) 物種中，基于兩兩物種間全基因組比對分析發(fā)現(xiàn)，這3種閃蝶的基因序列總體上相似，但在Z染色體上檢測到發(fā)生了多次染色體重排事件，海倫閃蝶和夢幻閃蝶間發(fā)生了1 次1.6 Mb 的倒位，海倫閃蝶和雙列閃蝶間發(fā)生了5 次倒位 (最長為1.8 Mb)，夢幻閃蝶和雙列閃蝶間發(fā)生了2 次倒位，其中1 次為1.6 Mb，推測染色體上的倒位可能通過抑制物種間基因組的重組或引起雜種不育來促進物種形成 (Bastideet al., 2023)。Hooper 和Price(2017) 檢查了411 種雀形目鳥類的染色體核型，發(fā)現(xiàn)倒位在雀形目中廣泛存在，并發(fā)現(xiàn)隨著生活區(qū)域的重疊，染色體的倒位數(shù)量也逐漸增多，說明當生活區(qū)域重疊時，雀形目通過倒位抑制重組，使得它們在二次接觸后仍能保持物種的獨立性。

2.2.4 染色體數(shù)量變化 (Chromosome number change)

染色體融合和分裂能夠引起染色體數(shù)目變化，是導致物種間核型差異的主要原因。不同染色體數(shù)量的物種間的雜交子嗣可以形成復雜且不穩(wěn)定的減數(shù)分裂，從而導致減數(shù)分裂的不分離和不育。研究發(fā)現(xiàn)鱗翅目中染色體的數(shù)量變異與其物種形成率有關(guān) (de Voset al., 2020)。例如3 種同域分布的海倫閃蝶、雙列閃蝶和夢幻閃蝶之間染色體數(shù)量存在差異：夢幻閃蝶有27 對染色體，而海倫閃蝶和雙列閃蝶有28 對染色體，染色體的數(shù)量差異可能導致同域分布的閃蝶屬物種間的生殖隔離(Bastideet al., 2023)。Reis 等 (2023) 通過對不同染色體數(shù)的獵蝽科 (Reduviidae) 物種進行雜交實驗，并基于系統(tǒng)發(fā)育分析、染色體進化模型重建等，發(fā)現(xiàn)在獵蝽科的物種形成過程中可能發(fā)生了9次染色體數(shù)量變化導致物種間核型差異產(chǎn)生生殖隔離障礙，從而促進物種形成，實現(xiàn)物種多樣化 (Reiset al., 2023)。

另一種是染色體數(shù)目整體的倍性變化。多倍化是物種形成的一種重要方式，包括同源多倍體(Autopolyploidy) (同一物種內(nèi)染色體數(shù)目加倍) 和異源多倍體 (Allopolyploid) (不同物種間雜交引起的子嗣個體染色體數(shù)目整體加倍)，在植物中較為普遍，只有少部分動物比如昆蟲、兩棲類以及魚類是通過多倍化產(chǎn)生 (Mallet, 2007)。溪蟾屬(Rheobatrachus) 包含6 個二倍體物種和3 個四倍體物種，研究發(fā)現(xiàn)四倍體的澳大利亞穴居蛙起源于同源多倍體形成事件，并發(fā)現(xiàn)二倍體物種間存在生殖隔離，但四倍體物種與二倍體物種之間卻存在雜交現(xiàn)象，從二倍體到四倍體有不對稱的倍性基因流，推測染色體加倍可能導致二倍體中潛在的遺傳不兼容位點被四倍體掩蓋，從而打破了物種間的生殖隔離?；谏鷳B(tài)位分析顯示也可能是通過克服染色體倍性差異導致的生殖隔離使穴居蛙能適應更惡劣的環(huán)境，從而維持了物種多樣性(Novikovaet al., 2020)。Session 等 (2016) 發(fā)現(xiàn)非洲爪蟾 (Xenopus laevis) 是由2個二倍體祖先物種在17 ～ 18 個百萬年前雜交形成的異源四倍體物種?；蚪M中包含L 和S 兩套亞基因組，在形成多倍體物種的過程中，L 更多的保留了遠祖狀態(tài)，而S 則經(jīng)歷了基因丟失、刪除、重組和表達降低的情況(Sessionet al., 2016)。通過重建鯉亞科魚類的多倍化演化歷史，發(fā)現(xiàn)鯽魚、鯉魚和金線鲃共同起源于13.8 ～ 15.1 個百萬年前的一次古老異源多倍化事件，并基于基因組與轉(zhuǎn)錄組等多組學分析，發(fā)現(xiàn)不同于非洲爪蟾基因組中的非對稱演化模式，紅鯽的兩個亞基因組在整個二倍化進程中一直經(jīng)歷交替的非對稱性功能丟失，兩個基因拷貝隨胚胎發(fā)育時間的推進發(fā)生表達優(yōu)勢的切換，并且DNA 甲基化可能參與調(diào)控同源基因的表達 (Luoet al., 2020)。由此可見，多倍體雜交物種通過不同的方式選擇性過濾掉親本亞基因組的一部分以此維持自身基因組的穩(wěn)定性，在此過程中也與親本基因組間產(chǎn)生巨大的遺傳差異，從而建立生殖隔離，實現(xiàn)物種多樣化。

2.2.5 表觀遺傳修飾 (Epigenetic modification)

表觀遺傳修飾是指通過化學修飾改變?nèi)旧w上的DNA 和蛋白質(zhì)化學組成和穩(wěn)定性，從而影響基因的表達，主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、小RNA 等 (Niiranenet al., 2022)。當兩個已經(jīng)分歧的物種進行雜交時，雜交子嗣的基因組通常會啟動基因組和轉(zhuǎn)錄組的廣泛修飾，從而產(chǎn)生新的基因表達模式，導致物種間出現(xiàn)生殖障礙 (Michalak,2009)。因此，表觀遺傳修飾對研究物種形成機制也同樣重要。研究發(fā)現(xiàn)同域形成的不同盲鼴鼠(Spalax galili) 物種，是由于啟動子區(qū)的甲基化差異影響轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，促進了不同物種中p53的差異表達，從而誘導不同程度的細胞周期停滯以適應不同的環(huán)境，說明p53的甲基化修飾在環(huán)境適應以及同域物種形成過程中的重要性 (Zhaoet al.,2016)。Long 等 (2023) 在熱帶爪蟾 (Xenopus tropicalis) 和非洲爪蟾中的正向、反向雜交實驗中發(fā)現(xiàn)雌性非洲爪蟾與雄性熱帶爪蟾的雜交后代發(fā)育良好，但雄性非洲爪蟾與雌性熱帶爪蟾的雜交后代在胚胎發(fā)育時期就死亡；該研究發(fā)現(xiàn)H3K4me3 組蛋白修飾在生殖隔離和維持雜交種的亞基因組平衡中至關(guān)重要，雄性非洲爪蟾與雌性熱帶爪蟾的雜交后代由于缺乏H3K4me3 組蛋白修飾，Wnt 信號通路、p53 信號通路以及其他通路失調(diào)阻礙了雜交后代的胚胎發(fā)育，導致發(fā)育失敗。犏牛是家牦牛和普通牛的遠緣雜交后代，表現(xiàn)出雄性不育。Li等 (2020) 比較了牦牛和犏牛睪丸細胞組蛋白轉(zhuǎn)甲基酶和組蛋白甲基化修飾，結(jié)果顯示甲基化轉(zhuǎn)移酶MLL5、EHMT2、SETDB1、SETDB2、EZH2、SUV420h1 和PRDM9 等在牦牛和犏牛睪丸組織的表達上存在差異，組蛋白甲基化水平在牦牛和犏牛中也存在差異，H3K27me3 和H4K20me3 在犏牛的支持細胞 (為發(fā)育中的精子提供保護和營養(yǎng)的細胞) 中富集。H3K4me3、H3K9me1、H3K9me3 和H4K20me3在減數(shù)分裂中的表達與定位也存在顯著差異，提示甲基化修飾、組蛋白修飾在犏牛的生殖細胞發(fā)育中發(fā)揮不可或缺的作用 (Liet al.,2020)。小RNA 是一組新發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和染色質(zhì)修飾的效應物，也能導致雜交個體的基因組不穩(wěn)定和生殖隔離 (Brown and O’Neill, 2010; Crespi and Nosil, 2013)。其中miRNA 作用廣泛，在生殖細胞的生物發(fā)生、生殖器官功能以及胚胎發(fā)育過程中均具有重要作用 (Rezaet al., 2019)。在哺乳動物睪丸中，X 連鎖的miRNA 比在常染色體上更快進化，提示X 連鎖的miRNA 的快速進化可能在雄性生殖方面有重要功能，有助于哺乳動物的物種形成 (Guoet al., 2009)。牛和牦牛的雜交后代除了受甲基化、組蛋白修飾導致雄性不育外，Zhao 等(2022) 發(fā)現(xiàn)與兩個親本相比，bta-miR-7 在雜交不育的雄性后代中顯著下調(diào)，影響了與生殖相關(guān)的靶基因的表達 (MYRFL、FANCA、ⅠNSL9、USP7X和SHF)，雜交后代生精停滯，導致雄性不育。

3 展望

物種形成機制是生物學領(lǐng)域中最基礎(chǔ)、最重要的問題之一，生殖隔離作為物種形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，揭示和闡明其遺傳基礎(chǔ)對于理解物種形成過程至關(guān)重要。通過對動物物種間生殖隔離過程及其機制的深度解析，有利于針對瀕危野生動物類群的保護和研究工作。在保護遺傳學中，常常通過遺傳多樣性、遺傳結(jié)構(gòu)以及群體歷史等評估目標物種的遺傳演化現(xiàn)狀以及進行保護單元的劃分。物種間的生殖隔離程度可以為保護單元劃定提供參考，對于有生殖隔離的物種類群，應劃分為單獨的保護單元，以此保護物種的遺傳完整性。此外，物種間的生殖隔離程度也可以為異地引種策略的制定和實施提供參考。另一方面，也有利于開發(fā)克服生殖隔離的育種技術(shù)，針對家養(yǎng)動植物類群實現(xiàn)遠緣雜交，充分發(fā)揮雜種優(yōu)勢，有望開發(fā)出更多具有優(yōu)良性狀的新品種。

如今物種形成的生殖隔離機制仍存在不少爭議，爭議的焦點主要在于生殖隔離是由少數(shù)基因驅(qū)動還是多數(shù)微效基因的相互作用而形成；物種間的生殖隔離程度是否會隨著物種的進化而一直強化；合子前隔離障礙和合子后隔離障礙在物種形成過程中哪一個最重要或最先起作用等等 (Kulmuniet al., 2020; Mallet and Mullen, 2022; Westramet al., 2022)。得益于高通量測序技術(shù)的發(fā)展，通過高通量測序技術(shù)可以獲得更多高質(zhì)量、高解析度的物種基因組序列信息，使得通過基因組數(shù)據(jù)分析物種形成的分子機制成為了可能?？梢詮幕蚪M層面來挖掘?qū)е挛锓N產(chǎn)生生殖隔離的關(guān)鍵基因，并探討基因型與表型以及與環(huán)境間的相互作用關(guān)系等，從而獲得對物種形成過程更深入的認識。但這也存在一定的局限性 (Bocket al., 2023)，目前大多數(shù)基因組研究都是基于SNPs 分子標記從基因組層面描述物種形成過程，挖掘與物種形成相關(guān)的基因。如本文所述，結(jié)構(gòu)變異 (SVs) 以及表觀遺傳修飾對物種形成過程中的生殖隔離建立也是極為重要的，但這方面的研究相對較少。此外，在物種形成過程中，是否存在特定的關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)介導物種間的生殖隔離？或者當這些調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的某個基因缺失后可導致某一類動物間打破生殖隔離，促使可以雜交產(chǎn)生可育后代？這些問題亟待探索。

基因組學的發(fā)展雖然使研究對象從實驗室模式生物擴展到野生動物種群，大大豐富了人們對不同物種形成過程及內(nèi)在機制的認識。但僅依靠基因組比較分析預測出潛在的生殖隔離基因在物種形成研究中是遠遠不夠的，現(xiàn)今的很多研究仍然缺乏直接的功能證據(jù)證明這些基因在生殖隔離中所發(fā)揮的作用。這需要結(jié)合相關(guān)的實驗驗證，將基因與生殖隔離表型進行關(guān)聯(lián)，對其分子機制進行全面闡述。然而，目前僅果蠅屬、劍尾魚屬、擬南芥屬、酵母屬等模式生物類群有開展相關(guān)的實驗和研究 (Mack and Nachman, 2017; Powellet al., 2020)，而非模式生物中還未被廣泛研究。其難點在于非模式生物很難像模式生物那樣可以借助人為雜交實驗解析其具體的物種形成過程和內(nèi)在機制。因此可以在對非模式物種進行基因組學分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合模式物種的基因編輯技術(shù) (比如CRISPR-Cas9) 在實驗室中開展物種形成實驗(Experimental Speciation) 以揭示非模式物種生殖隔離的分子機制 (Whiteet al., 2020)。

此外，物種形成中的生殖隔離建立過程所涉及生物、非生物因素的作用，多學科的交叉與合作將有力推動動物物種形成的研究。對于動物尤其是野生動物而言，判斷物種間是否存在生殖隔離，以及明確生殖隔離產(chǎn)生的來源 (地理隔離、行為隔離、雜交等)，就需要生態(tài)學、行為學的野外觀測、實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合生物信息學、遺傳學，進一步在宏觀和微觀層面全面、系統(tǒng)地解析動物的生殖隔離機制。

最后，生殖隔離是理解物種形成的基礎(chǔ)，也是進化生物學的核心概念。在物種形成過程中受到各種各樣因素導致物種間建立生殖隔離，但最終都會反映在遺傳物質(zhì)的改變上來。物種形成是一個漸進的過程，物種形成基因在該過程中的作用巨大甚至是決定性的。物種形成基因在不同物種中經(jīng)歷了快速進化，當一個種群中某一特定的等位基因進入另一種群時，由于源自該種群的等位基因與另一種群的等位基因不兼容，便會導致雜交后代繁殖能力下降，最終促使物種間產(chǎn)生生殖隔離。然而目前在動物中發(fā)現(xiàn)的導致物種形成的基因較少，尤其是在哺乳動物中僅發(fā)現(xiàn)并驗證了唯一一個物種形成基因——PRDM9(Paigen and Petkov, 2018)。剖析物種形成基因的具體作用機制以及物種形成基因的分子進化特征，將有助于從根本上了解物種形成過程，探索物種起源，揭示自然界中物種多樣性產(chǎn)生的原因。因此在未來的研究中，對物種形成基因的鑒定以及分子機制的探究將是物種形成研究的核心和關(guān)鍵內(nèi)容。