Последовательный гермафродитизм (называемый дихогамией в ботанике ) является одним из двух типов гермафродитизма , другой тип - одновременный гермафродитизм . Он происходит, когда пол организма меняется в какой-то момент его жизни. [1] Последовательный гермафродит производит яйцеклетки (женские гаметы ) и сперму (мужские гаметы ) на разных стадиях жизни. [2] Последовательный гермафродитизм встречается у многих рыб , брюхоногих моллюсков и растений. Виды, которые могут подвергаться этим изменениям, делают это как обычное событие в рамках своего репродуктивного цикла, обычно вызванное либо социальной структурой, либо достижением определенного возраста или размера. [3]
У животных существуют различные типы изменений: мужской пол в женский ( протандрический или протандрический гермафродитизм ), женский пол в мужской ( протогиния или протогинический гермафродитизм ) [4] и двунаправленный ( серийный или двунаправленный гермафродитизм ). [5] Как протогинический, так и протандрический гермафродитизм позволяют организму переключаться между функциональным мужским и функциональным женским. [6] Двунаправленные гермафродиты обладают способностью к изменению пола в любом направлении между мужским и женским или женским и мужским, потенциально неоднократно в течение жизни. [5] Эти различные типы последовательного гермафродитизма могут указывать на отсутствие преимуществ, основанных на исходном поле отдельного организма. [6] Те, кто меняет пол гонад, могут иметь как женские, так и мужские зародышевые клетки в гонадах или могут изменяться с одного полного типа гонад на другой на последнем этапе своей жизни. [7]
У растений отдельные цветки называются дихогамными, если их функция состоит в том, что два пола разделены во времени, хотя растение в целом может иметь функционально мужские и функционально женские цветки, открытые в любой момент. Цветок является протогиничным, если его функция сначала женская, затем мужская, и протандричным, если его функция сначала мужская, затем женская. Раньше считалось, что это снижает инбридинг , [8] но это может быть более общим механизмом для снижения интерференции пыльцы и пестика. [9] [ необходимо уточнение ]
Гермафродитные рыбы почти исключительно последовательные — одновременный гермафродитизм известен только у одного вида рыб, киллифиш Kryptolebias marmoratus . [10] Кроме того, костистые рыбы являются единственной линией позвоночных , где встречается последовательный гермафродитизм. [3]
В целом, протандрические гермафродиты — это животные, которые развиваются как самцы, но позже могут размножаться как самки. [11] Однако протандрия характеризуется спектром различных форм, которые характеризуются перекрытием мужской и женской репродуктивной функции на протяжении всей жизни организма:
Кроме того, существуют виды, которые размножаются как представители обоих полов на протяжении всей своей жизни (т. е. одновременные гермафродиты ), но со временем переключают свои репродуктивные ресурсы с мужских на женские. [13]
Протандрия встречается у широкого круга типов животных. [14] Фактически, протандрический гермафродитизм встречается у многих рыб, [15] моллюсков , [12] и ракообразных , [16], но полностью отсутствует у наземных позвоночных. [11]
Протандрические рыбы включают виды костистых рыб в семействах Pomacentridae , Sparidae и Gobiidae . [17] Типичным примером протандрических видов являются рыбы-клоуны , которые имеют очень структурированное общество. У вида Amphiprion percula от нуля до четырех особей исключены из размножения, а пара для размножения живет в актинии . Доминирование основано на размере, самка является самой большой, а репродуктивный самец - вторым по величине. Остальная часть группы состоит из постепенно уменьшающихся самцов, которые не размножаются и не имеют функционирующих гонад. [18] Если самка умирает, во многих случаях репродуктивный самец набирает вес и становится самкой для этой группы. Затем самый крупный неразмножающийся самец половозрелым становится и становится репродуктивным самцом для группы. [19]
Другие протандрические рыбы могут быть найдены в классах clupeiformes , siluriformes , stomiiformes . Поскольку эти группы находятся в отдаленном родстве и имеют много промежуточных родственников, которые не являются протандрическими, это убедительно свидетельствует о том, что протандрия развивалась многократно. [20]
Филогении подтверждают это предположение, поскольку предковые состояния различаются для каждой семьи. Например, предковое состояние семьи Pomacentridae было гонохорическим (однополым), что указывает на то, что протандрия развилась внутри семьи. [17] Следовательно, поскольку другие семьи также содержат протандрические виды, протандрия, вероятно, развилась несколько раз. [ необходима цитата ]
Другие примеры протандрических животных включают:
Протогинические гермафродиты — это животные, которые рождаются самками и в какой-то момент своей жизни меняют пол на мужской. [27] Протогиния — более распространенная форма последовательного гермафродитизма у рыб, особенно по сравнению с протандрией. [28] По мере того, как животное стареет, оно меняет пол, становясь самцом из-за внутренних или внешних триггеров, претерпевая физиологические и поведенческие изменения. [29] У многих рыб плодовитость самок непрерывно увеличивается с возрастом, в то время как у других видов более крупные самцы имеют селективное преимущество (например, в гаремах), поэтому предполагается, что система спаривания может определять, является ли более селективно выгодным быть самцом или самкой, когда тело организма больше. [27] [17]
Протогиния — наиболее распространенная форма гермафродитизма у рыб в природе. [30] Около 75% из 500 известных последовательно гермафродитных видов рыб являются протогиниями и часто имеют полигинные системы спаривания. [31] [32] В этих системах крупные самцы используют агрессивную территориальную защиту, чтобы доминировать над самками при спаривании. Это приводит к тому, что мелкие самцы имеют серьезный репродуктивный недостаток, что способствует сильному отбору протогинии на основе размера. [33] Поэтому, если особь мала, для нее репродуктивно выгоднее быть самкой, потому что она все равно сможет размножаться, в отличие от мелких самцов. [ требуется ссылка ]
Распространенными модельными организмами для этого типа последовательного гермафродитизма являются губаны . Они являются одним из крупнейших семейств рыб коралловых рифов и принадлежат к семейству Labridae. Губаны встречаются по всему миру во всех морских средах обитания и, как правило, закапываются в песок ночью или когда чувствуют угрозу. [34] У губанов более крупным из пары спаривания является самец, а более мелким — самка. В большинстве случаев самки и неполовозрелые самцы имеют однородную окраску, в то время как у самца терминальная двухцветная фаза. [35] Крупные самцы удерживают территории и пытаются спаривать икру, в то время как мелкие и средние самцы начальной фазы живут с самками и группируют икру . [36] Другими словами, как самцы начальной, так и терминальной фазы могут размножаться, но они различаются по способу, которым они это делают.
У калифорнийского овцеголова ( Semicossyphus pulcher ), типа губана, когда самка меняется на самца, яичники дегенерируют, и в гонадах появляются сперматогенные крипты. [37] Общая структура гонад остается яичниковой после трансформации, и сперма транспортируется через ряд протоков на периферии гонады и яйцевода . Здесь смена пола зависит от возраста. Например, калифорнийский овцеголов остается самкой в течение четырех-шести лет, прежде чем сменить пол [35], поскольку все калифорнийские овцеголовы рождаются самками. [38]
Синеголовые губаны начинают жизнь как самцы или самки, но самки могут менять пол и функционировать как самцы. Молодые самки и самцы начинают с тусклой окраски начальной фазы, прежде чем перейти к яркой окраске терминальной фазы, которая имеет изменение интенсивности цвета, полос и полос. Окраска терминальной фазы происходит, когда самцы становятся достаточно большими, чтобы защищать территорию. [39] У самцов начальной фазы яички больше , чем у более крупных самцов терминальной фазы, что позволяет самцам начальной фазы производить большое количество спермы. Эта стратегия позволяет этим самцам конкурировать с более крупным территориальным самцом. [40]
Botryllus schlosseri , колониальный оболочник , является протогиническим гермафродитом. В колонии яйца высвобождаются примерно за два дня до пика эмиссии спермы. [41] Хотя эта стратегия позволяет избежать самооплодотворения и благоприятствует перекрестному оплодотворению, самооплодотворение все еще возможно. Самооплодотворенные яйца развиваются со значительно более высокой частотой аномалий во время дробления, чем перекрестно оплодотворенные яйца (23% против 1,6%). [41] Кроме того, значительно меньший процент личинок, полученных из самооплодотворенных яиц, метаморфозирует, и рост колоний, полученных в результате их метаморфоза, значительно ниже. Эти результаты свидетельствуют о том, что самооплодотворение приводит к инбридинговой депрессии, связанной с дефицитами развития, которые, вероятно, вызваны экспрессией вредных рецессивных мутаций. [42]
Другие примеры протогиничных организмов включают в себя:
Конечная причина биологического события определяет, как событие делает организмы более приспособленными к окружающей среде, и, таким образом, почему эволюция путем естественного отбора произвела это событие. Хотя было предложено большое количество конечных причин гермафродитизма, две причины, наиболее соответствующие последовательному гермафродитизму, — это модель преимущества размера [27] и защита от инбридинга. [54]
Модель преимущества размера утверждает, что особи определенного пола размножаются более эффективно, если они имеют определенный размер или возраст. Чтобы создать отбор для последовательного гермафродитизма, мелкие особи должны иметь более высокую репродуктивную приспособленность как один пол, а более крупные особи должны иметь более высокую репродуктивную приспособленность как противоположный пол. Например, яйцеклетки крупнее сперматозоидов, поэтому более крупные особи способны производить больше яйцеклеток, поэтому особи могут максимизировать свой репродуктивный потенциал, начав жизнь как самец, а затем превратившись в самку по достижении определенного размера. [54]
У большинства пойманного ... [4] Пример территориальности, благоприятствующей протогинии, возникает, когда необходимо защитить свою среду обитания, и быть крупным самцом выгодно для этой цели. В аспекте спаривания крупный самец имеет более высокие шансы на спаривание, в то время как это не влияет на приспособленность самки к спариванию. [55] Таким образом, он предполагает, что плодовитость самки больше влияет на последовательный гермафродитизм, чем возрастная структура популяции. [4]
Модель преимущества размера предсказывает, что смена пола будет отсутствовать только в том случае, если связь между размером/возрастом и репродуктивным потенциалом будет идентична у обоих полов. С этим прогнозом можно было бы предположить, что гермафродитизм очень распространен, но это не так. Последовательный гермафродитизм встречается очень редко, и, по мнению ученых, это связано с некоторыми издержками, которые снижают приспособленность у меняющих пол по сравнению с теми, кто не меняет пол. Некоторые из гипотез, предложенных для объяснения нехватки гермафродитов, включают энергетическую стоимость смены пола, генетические и/или физиологические барьеры для смены пола и показатели смертности, специфичные для пола. [4] [56] [57]
В 2009 году Казанчиглу и Алонзо обнаружили, что раздельнополость была выгодна только тогда, когда стоимость смены пола была очень большой. Это указывает на то, что стоимость смены пола сама по себе не объясняет редкость последовательного гермафродитизма. [58]
Модель преимущества размера также объясняет, при каких системах спаривания протогиния или протандрия будут более адаптивными. [54] [59] В гаремной системе спаривания, когда один крупный самец контролирует доступ к многочисленным самкам для спаривания, этот крупный самец достигает большего репродуктивного успеха, чем мелкая самка, поскольку он может оплодотворить множество икринок. Таким образом, в такой гаремной системе спаривания (например, у многих губанов) протогиния является наиболее адаптивной стратегией («размножайтесь как самка, когда вы малы, а затем превращайтесь в самца, когда вы станете большими и сможете контролировать гарем»). В парной системе спаривания (один самец спаривается с одной самкой, например, у рыбы-клоуна или мурены) самец может оплодотворить только одну партию икры, тогда как самке нужен только мелкий самец, чтобы оплодотворить ее партию икры. поэтому чем она крупнее, тем больше икринок она сможет произвести и оплодотворить. Таким образом, в этой парной системе спаривания протандрия является наиболее адаптивной стратегией («размножайтесь как самцы, пока маленькие, а затем меняйтесь на самок, когда станете больше»). [ необходима цитата ]
Последовательный гермафродитизм также может защищать от инбридинга в популяциях организмов, которые имеют достаточно низкую подвижность и/или достаточно редко распространены, так что существует значительный риск встречи братьев и сестер друг с другом после достижения половой зрелости и скрещивания. Если братья и сестры все одного или схожего возраста, и если все они начинают жизнь как один пол, а затем переходят в другой пол примерно в одном и том же возрасте, то братья и сестры с высокой вероятностью будут одного пола в любой момент времени. Это должно значительно снизить вероятность инбридинга. Известно, что как протандрия, так и протогиния помогают предотвратить инбридинг у растений, [2] и многие примеры последовательного гермафродитизма, приписываемые предотвращению инбридинга, были выявлены у самых разных животных. [54]
Непосредственная причина биологического события касается молекулярных и физиологических механизмов, которые производят событие. Многие исследования были сосредоточены на непосредственных причинах последовательного гермафродитизма, который может быть вызван различными гормональными и ферментными изменениями в организмах. [ необходима цитата ]
Роль ароматазы широко изучалась в этой области. Ароматаза — это фермент , который контролирует соотношение андрогенов и эстрогенов у животных, катализируя превращение тестостерона в эстрадиол , что является необратимым процессом. Было обнаружено, что путь ароматазы опосредует смену пола в обоих направлениях у организмов. [60] Многие исследования также включают понимание влияния ингибиторов ароматазы на смену пола. Одно из таких исследований было проведено Кобаяши и др. В своем исследовании они проверили роль эстрогенов у самцов трехточечных губанов ( Halichoeres trimaculatus ). Они обнаружили, что у рыб, обработанных ингибиторами ароматазы, наблюдалось снижение веса гонод, уровня эстрогенов в плазме и пролиферации сперматогоний в семенниках, а также повышение уровня андрогенов. Их результаты показывают, что эстрогены играют важную роль в регуляции сперматогенеза у этого протогинного гермафродита. [61]
Предыдущие исследования также изучали механизмы смены пола у костистых рыб. Во время смены пола их половые железы, включая зародышевый эпителий, претерпевают значительные изменения, ремоделирование и реформацию. Одно исследование костистых рыб Synbranchus marmoratus показало, что металлопротеиназы (ММП) участвуют в ремоделировании гонад. В этом процессе яичники дегенерируют и медленно заменяются зародышевой мужской тканью. В частности, действие ММП вызывает значительные изменения в интерстициальной гонадной ткани, что позволяет реорганизовать зародышевую эпителиальную ткань. Исследование также показало, что половые стероиды помогают в процессе смены пола, синтезируясь по мере репликации и дифференциации клеток Лейдига . Таким образом, синтез половых стероидов совпадает с ремоделированием гонад, которое запускается ММП, вырабатываемыми зародышевой эпителиальной тканью. Эти результаты показывают, что ММП и изменения уровня стероидов играют большую роль в последовательном гермафродитизме у костистых рыб. [62]
Последовательные гермафродиты почти всегда имеют соотношение полов, смещенное в сторону пола при рождении, и, следовательно, испытывают значительно больший репродуктивный успех после смены пола. Согласно теории популяционной генетики, это должно уменьшить генетическое разнообразие и эффективную численность популяции (Ne). Однако исследование двух экологически схожих морских лещей Сантер ( гонохорных ) и морских лещей Слингер (протогинных) в водах Южной Африки показало, что генетическое разнообразие было схожим у двух видов, и хотя Ne было ниже в данный момент для сменщика пола, они были схожи в течение относительно короткого периода времени. [63] Способность этих организмов менять биологический пол позволила улучшить репродуктивный успех, основанный на способности определенных генов легче передаваться из поколения в поколение. Изменение пола также позволяет организмам размножаться, если уже нет особей противоположного пола. [64]
Последовательный гермафродитизм у растений — это процесс, при котором растение меняет свой пол в течение своей жизни. Последовательный гермафродитизм у растений встречается очень редко. Существует менее 0,1% зарегистрированных случаев, когда виды растений полностью меняют свой пол. [65] Модель пятнистой среды и распределение пола в зависимости от размера — это два фактора окружающей среды, которые обуславливают последовательный гермафродитизм у растений. Модель пятнистой среды утверждает, что растения максимизируют использование своих ресурсов, меняя свой пол. Например, если растение получает больше пользы от ресурсов данной среды в определенном поле, оно изменит пол на этот. Кроме того, распределение пола в зависимости от размера подчеркивает, что у последовательных гермафродитных растений предпочтительнее менять пол таким образом, чтобы максимизировать их общую приспособленность по сравнению с их размером с течением времени. [66] Подобно максимизации использования ресурсов, если сочетание размера и приспособленности для определенного пола более выгодно, растение изменит пол. В ходе эволюции последовательные гермафродиты появились, когда некоторые виды получили репродуктивное преимущество, изменив свой пол. [ необходима цитата ]
Arisaema triphyllum (Джек на кафедре) — это вид растений, который обычно упоминается как практикующий последовательный гермафродитизм. [67] [68] По мере роста A. triphyllum он развивается из бесполого ювенильного растения в молодое полностью мужское растение, в растение с мужскими и женскими полами, в полностью женское растение. Это означает, что A. triphyllum меняет свой пол с мужского на женский в течение своей жизни по мере увеличения его размера, демонстрируя распределение пола в зависимости от размера. Другим примером является Arisaema dracontium или зеленый дракон, который может менять свой пол ежегодно. [67] Пол A. dracontium также зависит от размера: более мелкие цветки являются мужскими, в то время как более крупные цветки являются как мужскими, так и женскими. Обычно у видов Arisaema мелкие цветки содержат только тычинки, что означает, что они мужские. Более крупные цветы могут содержать как тычинки, так и пестики или только пестики, то есть они могут быть либо гермафродитами, либо строго женскими. [67]
Было показано, что полосатые клены ( Acer pensylvanicum ) меняют пол в течение нескольких лет и являются последовательными гермафродитами. [69] Когда ветви были удалены с полосатых кленов [70], они изменились на женские или на женские и мужские в ответ на повреждение. Болезнь также вызовет изменение пола либо на женские, либо на женские и мужские. [70]
В контексте половой принадлежности цветковых растений (покрытосеменных) существует две формы дихогамии: протогиния — женская функция предшествует мужской — и протандрия — мужская функция предшествует женской. Примерами служат Asteraceae , двуполые трубчатые (дисковые) цветки обычно протандрические. В то время как у Acacia и Banksia цветки протогиничны, при этом столбик женского цветка удлиняется, а затем в мужской фазе пыльники сбрасывают пыльцу. [ необходима цитата ]
Исторически дихогамия рассматривалась как механизм снижения инбридинга . [8] Однако исследование покрытосеменных растений показало, что самонесовместимые (SI) растения, которые не способны к инбридингу, с такой же вероятностью могут быть дихогамными, как и самосовместимые (SC) растения. [71] Это открытие привело к переосмыслению дихогамии как более общего механизма снижения влияния помех пыльца - пестик на импорт и экспорт пыльцы. [9] [72] В отличие от гипотезы избегания инбридинга , которая фокусировалась на женской функции, эта гипотеза избегания помех рассматривает обе репродуктивные функции. [ необходима ссылка ]
У многих видов гермафродитных растений близость пыльников и рыльца делает интерференцию неизбежной, как внутри цветка , так и между цветками в соцветии . Внутрицветковая интерференция, которая происходит, когда либо пестик прерывает удаление пыльцы, либо пыльники предотвращают отложение пыльцы, может привести к автономному или облегченному самоопылению. [73] [9] Межцветковая интерференция является результатом аналогичных механизмов, за исключением того, что мешающие структуры возникают на разных цветках в пределах одного соцветия, и это требует активности опылителя . Это приводит к гейтоногамному опылению, переносу пыльцы между цветками одной и той же особи. [74] [73] В отличие от внутрицветковой интерференции, гейтоногамия обязательно включает те же процессы, что и ауткроссинг: привлечение опылителя, обеспечение вознаграждения и удаление пыльцы. Таким образом, межцветковая интерференция не только влечет за собой издержки самооплодотворения ( инбридинговая депрессия [75] [76] ), но и снижает количество пыльцы, доступной для экспорта (так называемое «дисконтирование пыльцы» [77] ). Поскольку дисконтирование пыльцы снижает успешность ауткроссинга, избегание интерференции может быть важной эволюционной силой в биологии флоры. [77] [78] [72] [79] Дихогамия может снижать межцветковую интерференцию, уменьшая или устраняя временное перекрытие между рыльцами и пыльниками в соцветии. Крупные соцветия привлекают больше опылителей, потенциально повышая репродуктивный успех за счет увеличения импорта и экспорта пыльцы. [80] [81] [82] [75] [83] [84] Однако крупные соцветия также увеличивают возможности как для гейтоногамии, так и для дисконтирования пыльцы, так что возможность межцветковой интерференции увеличивается с размером соцветия. [78] Следовательно, эволюция размера цветочного оформления может представлять собой компромисс между максимизацией посещения опылителями и минимизацией гейтоногамии и дисконтирования пыльцы (Барретт и др., 1994). [85] [86] [87]
Протандрия может быть особенно важна для этого компромисса, поскольку она часто приводит к структуре соцветия с цветками женской фазы, расположенными ниже цветков мужской фазы. [88] Учитывая тенденцию многих насекомых-опылителей добывать пищу вверх по соцветиям, [89] протандрия может усиливать экспорт пыльцы за счет снижения межцветковой интерференции. [90] [8] Более того, этот усиленный экспорт пыльцы должен увеличиваться по мере увеличения размера цветочного проявления, поскольку межцветковая интерференция должна увеличиваться с размером цветочного проявления. Эти эффекты протандрии на межцветковую интерференцию могут отделить преимущества больших соцветий от последствий гейтоногамии и дисконтирования пыльцы. Такое отделение обеспечит значительное репродуктивное преимущество за счет увеличения посещений опылителями и успеха отцовства. [ необходима цитата ]
Экспериментально было показано, что дихогамия снижает показатели самооплодотворения и повышает успешность ауткроссинга за счет снижения гейтоногамии и дисконтирования пыльцы соответственно. [90] Влияние размера соцветия на это преимущество в отцовстве показывает бимодальное распределение с повышением успешности отцовства как при малых, так и при больших размерах дисплея. [91]
Продолжительность стигматической восприимчивости играет ключевую роль в регулировании изоляции мужских и женских стадий у дихогамных растений, а на стигматическую восприимчивость могут влиять как температура, так и влажность. [92] У орхидеи Satyrium longicauda , опыляемой мотыльками , протандрия имеет тенденцию способствовать успеху спаривания самцов. [93]
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: others (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)