Genetische Studien über Melanin-Farb- MusterGenetische Studien über Melanin-Farb- Muster und atypische Sex-Bestimmung beim Guppy. Poecilia reticulata

P. L. Nayudu (1979, Am. Soc. of Ichthyologists and Herpetelogists)

Inhalt dieser genetischen Analyse sind drei Guppy-Farb-Muster mit dem einheitlichen Merkmal, dass sie hauptsächlich aus Melanophoren zusammengesetzt sind und nur in domestizierten Stämmen vorkommen. Von jedem der in handelsüblichen Populationen zu beobachtenden Muster ist nachgewiesen, dass es von einem einzelnen Gen herstammt, dass es sich an einem unterscheidbaren Ort befindet, dass es sowohl an das x- als auch an das y- Chromosom (geschlechts)gebunden ist, und, dass seine Ausprägung in beiden Geschlechtern dominant ist. Das Flavus-Gen (ein Schwanz-Muster) unterbindet die Wirkung der die Schwanzflossen vergrößernden Gene; die y-Bindung des Nigrocaudatus II Gens (ein Körper-Muster) ist verbunden mit subnormaler Vitalität und Lebensfähigkeit; eine ähnliche Gen-Abhängigkeit finden wir bei Ni II-Fla-Cp. Es wird auch von XX- Männchen berichtet; diese sollen ein Viertel der Nachkommen an XY- Männchen und XX- Weibchen ausmachen.

Der Guppy ist ein lebend-gebärender Frisch- und Brackwasser-Poeciliide, der für seine intensive, zahlreiche und variable Farbmusterung (Sterba, 1962) bekannt ist. Die Farbmuster der Wild-Populationen sind begrenzt auf die Ausbildung beim erwachsenen Männchen. Aufgrund der großen Anzahl der bei der Wildform gefundenen Farbmuster (Haskin et al., 1961) , und der Mühelosigkeit, mit der neue domestizierte Abarten gezüchtet wurden (Dzwillo, 1959), ist der Guppy eine nützliche Spezies zum Studium der genetischen Kontrolle körperlicher Vielgestaltigkeit und für die evolutionäre Grundlage der Existenz von Farb-Vielgestaltigkeit in der Natur (Yamamoto, 1975). Diese Spezies war die erste, bei der man y-gebundene Vererbung fand (Schmidt, 1920), und die meisten der Farbmuster sind geschlechtsgebunden (Yamamoto, 1975). Das Melanin-Farb-Muster aus domestiziertem Ursprung wurde für eine genetische Studie als Teil einer allgemeinen Studie über Melanophoren des Guppy gewählt (Nayudu and Hunter, 1978, 1979). Die Muster sind in der Ausprägung dominant, erscheinen schon beim Jungfisch und in beiden Geschlechtern, was das Studium ihrer Vererbung leichter macht, als wenn sie sich nur bei ausgewachsenen Männchen zeigen würden. Die vorliegende Arbeit hat epistatische (Epistasis: Unterdrückung eines Gens durch ein anderes; ps) Interaktion ans Licht gebracht, über die bisher noch nicht berichtet wurde. Da die normale Geschlechtsbestimmung des Guppy eng verbunden mit den die Farbmuster der Haut kontrollierenden Gene ist, der x- und y-gebundenen Gruppe, können diese Farbmuster als genetische Marker in Studien der Sex-Bestimmung genutzt werden. Für gewöhnlich ist das Weibchen das homogametische, und das Mänchen das heterogametische Geschlecht (Schmidt, 1920; Winge, 1927; Winge und Ditlevsen, 1947; Dzwillo, 1962; Haskins et al., 1970). Einer der ungewöhnlichen Aspekte der Sex-Chromosomen besteht darin, dass sie sich meistens nicht in ihrer Länge unterscheiden, und Crossover oftmals festgestellt werden (Winge, 1927). Man kann sie auch nicht durch normale zytologische Methoden von anderen Chromosomen unterscheiden. Bestimmte Farbmuster, die für gewöhnlich y-gebunden sind, nur eins erscheint beim Männchen (beispielsweise Maculatus (Schmidt, 1920)), zeigen sich in einem kleinen Teil des y-Chromosoms unterscheidbar zum x-Chromosom, und können sich mit ihm nicht kombinieren, und wenn doch, so ist das Ergebnis letal (Winge and Ditlevsen, 1938; Haskins et al., 1970). Gelegentlich wurden Individuen mit abweichenden Sex-Chromosomen gefunden (Winge and Ditlevsen, 1947), und sie produzierten artgleiche Nachkommen oder solche von normaler Sex-Chromosomen-Beschaffenheit. Die vorliegente Arbeit ist offenbar die erste, die über eine substantielle Proportion der Nachkommenschaft von XY-Männchen und XX-Weibchen berichtet, nämlich von XX-Männchen.

Material und Methoden Für die Analyse wurden folgende Poecilia reticulata Phänotypen gewählt: Schwanzmuster: a) Flavus (Fla), Winge and Ditlevsen, 1947

b) Pigmentierte Caudalis (Cp), Dzwillo, 1959
Körpermuster: c) Nigrocaudatus II (Ni II), Dzwillo, 1959
Ein individueller Fisch kann mehr als eines der Muster aufweisen, am Schwanz oder Körper. Phänotypen zur Kreuzung wurden anfänglich aus sieben Populationen gewählt, die von gewerblichen Züchtern stammten. Die Einzelheiten des Stammes und die Art des Beckens wurden im Einzelnen von Nayudu (1975) beschrieben. Alle Phänotypen wurden photographisch festgehalten auf einem mm Gitter - Sandz-MS222 –. Die Caudale wurde vom Photographen unter Standard-Bedingungen, unter zuhilfenahme eines Geräts zur Messung des Flächeninhalts (planemeter=Planimeter), aufgenommen, nachdem sie von Hand ausgebreitet worden war.

Ergebnisse Cp.- Verpaarungen von Individuen aus drei Beständen des Cp Phänotyps ergaben folgendes Resultat: a) Einzel-Gen-Vererbung: Cp Verpaarung x-gebunden: Phänotyp Eltern: m Cp 5 wildform(wf) 5 Nachkommen: m wf 73 Cp 1 w Cp 59 wf 3 b) gleich ausgeprägte Dominanz bei Weibchen und Männchen: Homozygot und dominante Ausprägung: Phänotyp Eltern: m Cp 3 w wf 3 Nachkommen: m Cp 21 w Cp 17 c) Lage auf x- und y-Chromosomen wie b) d) durchschnittlicher von Crossover-Hundertsatz dieser Lage auf den Gonosomen: 2.6 +- 2.58 (99% Zuverlässigkeit)

Fla.- Viele Fische aus domestzierten Beständen haben Schwanzmuster mit den Merkmalen von sowohl Cp als auch Fla. Aufgrund genetischer Analyse besaß kein Fisch aus dem Anfangsbestand nur Fla es konnte keine Rekombination von Fla wiederhergestellt werden. Die nachfolgende Verpaarungen zeigen folgende Merkmale für Fla: a) Einzel-Gen Vererbung und dominante Ausprägung: Verpaarung, nicht-allele Interaktion und Epistasis zeigend:

m X(fla).(cp)Y(fla) x w X(+cp)X(fla.cp) w X(fla.cp)Y(fla.+) m X(+.cp)Y(fla.+) w X(+.cp)X(fla.cp) w X(fla.cp)X(fla.cp)

9 13 16 16
b) Lage sowohl auf dem y- wie auf dem x-Chromosom: Verpaarung der Nachkommen von a) zur Überprüfung des Genotyps und der Bindung:


m X(+.cp)Y(fla.+) . w wf m 9X(+.+)Y(fla.+) F1 7X(+.+)X(+.cp) w 1 X(+.+)X(+.+) m X(fla.cp)Y(fla.+).w wf m 6X(+.+)Y(fla.+) F1 8X(+.+)X(fla.cp) w 1 X(+.+)X(fla.+) m wf . w XX(fla.cp)X(fla.cp) m 10X(fla.cp)Y(+.+) F1 11X(fla.cp)X(+.+)

c) Auftreten mit Cp sowohl in Verbindung als auch in Unterdrückung (repulsion) wie b). d) Die wahrscheinlich häufigste Gen-Anordnung der nicht zu vereinbarenden Teile der Sex-Chromosomen ist der geschlechtsbestimmende Teil, das sind Fla und Cp, wie bei dem weiblichen Phänotyp Fla der zweiten Verpaarung F2, der aus einem Crossover des Cp vom X-Chromosom herrührt. Analyse der durch phänotypische Variation aufgedeckten epistatischen Interaktion: e) Die Homozygotie und Heterozygotie von Fla und Cp sind die Hauptfaktoren des äußeren Erscheinens des Schwanzmuster, obwohl offensichtlich auch individuelle Variationen, beruhend auf unabhängigen Umwandlern, mitwirken (Nayudu, 1975). f) Fla ist verbunden mit der Hinderung der Ausprägung anderer Gene, die an der Ausbildung der Größe der Caudale beteiligt sind,insbesonders bei den Männchen: Hinderungseffekt von Flavus gegenüber der Größe der Schwanzflosse (Verpaarung siehe a)).

X(fla.cp)
Y(fla.+) X(+.cp)Y(+.fla)
Beispielsmenge 9 11 Durchschnittsgröße in 16.55 27.75 Planimetereinheiten s² 23.43 24.28 d.f. 20 t 4.94 p <0.001

Dieser Test eines Studenten zeigte, dass die Fläche der Schwanzflosse männlicher Geschwister, die den Gentyp Fla, Cp/Fla + besaßen, bedeutend kleiner war, als die des Gentyps +, Cp/Fla, +.

Ni II- Die Vererbungsresultate der Ni II Verpaarungen stellen sich wie folgt dar: a) Vererbung als Einzel-Gen Ni II Verpaarungen. Sexbindung und Einzel-Gen-Vererbung 1. X-Bindung

Eltern Nachkommen
m w m w
Phänotyp Ni II wf wf Ni II

4 4 37 37
2. Y-Bindung Phänotyp Ni II wf Ni II wf wf

1 1 17 1 7

b) Dominanz in der normalen Körperfarbe in beiden Geschlechtern c) X-gebundene Vererbung in den meisten Fällen, es wurden keine Crossover von X zu Y Typen beobachtet d) Eine Verpaarung zeigte Ni II als Y-gebunden, mit einer möglichen individuellen Rekombination von Y zu X Der totale Crossoverprozentsatz beträgt 1 +- 2.58 (99 % Zuverlässigkeit).

Die Y-Bindung von Ni II erfordert eine tiefere Analyse, da sie klar mit geringerer Größe, weniger Vitalität und geringerer Lebensfähigkeit einhergeht. Das war der einzige Unterschied, der eine erkennbare Unterlegenheit der Ni II Fische zeigte. Schon kurz nach der Geburt waren einige Ni II Fische kleiner als ihre normal-gemusterten Geschwister, obschon alle den ersten Monat überlebten. Im Alter von einem Monat hatten die männlichen Ni II eine Durchschnittsgröße von 10.3 +- 1.3 mm, während die weibliche Wildform im Durchschnitt eine Größe von 13.0 +- 2.0 mm besaßen. Die durchschnittliche Größe mit einem Monat für Männchen und Weibchen anderer Arten betrug 14.0 +- 1.5 mm (alle +- Werte haben eine Zuverlässigkeit von 95%). Die Größendifferenz mit einem Monat wurden anhand von Studenten Tests analysiert und als bezeichnend (P<0.001) gefunden. Die Sex-unterworfenen Größenunterschiede erscheinen nicht vor dem zweiten Monat.
Die Todesrate der Ni II Geschwister war sehr viel größer als die von Normal-Muster Geschwistern, insbesonders. zwischen dem ersten und dritten Monat. Nach einem Monat gab es keine Todesfälle. Nach drei Monaten gab es bei der Wildform immer noch keine Toten, aber es überlebten nur 53% aus der Ni II Gruppe. Innerhalb der Ni II Gruppe waren Farbintensität, die Größe und die Todesrate ähnlich, die größeren Individuen waren heller gefärbt und lebenstüchtiger.
Mit einem Monat hatte die hellste Gruppe (3 Individuen) eine durchschnittliche Länge von 12.0 mm (S² = 0.25), die dunkelste Gruppe (4 Individuen) eine durchschnittliche Länge von 8.9 mm (S² = 0.20). Der Test eines Studenten von zwei Gruppen extremer Farbstärke zeigte, dass die Größenunterschiede signifikant waren (P<0.01). Die dunkleren, kleineren Exemplare starben in der Regel vor den helleren, größeren. Im Alter von 3 Monaten waren in den beiden hellsten Kategorien von ursprünglich fünf Mitgliedern noch alle am Leben. In der mittleren Gruppe verblieb die Hälfte, und in den beiden dunkelsten Kategorien blieb keiner übrig. Atypische Sex-Bestimmtheit Ein Männchen, das sowohl Cp als auch Fla besaß, wurde mit einem Weibchen ohne Muster gepaart. Die Kombination war phänotypisch unterscheidbar von jedem einzelnen Muster (Nayudu and Hunter, 1978). Die Nachzucht bestand aus: 11 w Cp, 7 m Cp, 9 m Fla. Die Anwesenheit nur eines einzigen Cp Weibchens zeigt, dass das elterlich X Cp besaß. Von größerer Bedeutung ist das Erscheinen von zwei Sorten männlicher Nachkommen. Die Fla Männchen mußten die Sex-Chromosomen XY haben, das Y-Chromosom mußte Fla besitzen. Die Cp Männchen mußten daher XX haben. Die XX-Konstitution der Chromosomen der Cp Männchen wurde durch eine Verpaarung mit einem ungemusterten Weibchen des gleichen Ausgangsbestands. Die Nachkommen waren alle weiblich, halb Cp (38), halb ohne Cp (39). Dies ist das zu erwartende Resultat eines XX-Männchens, verpaart mit einem XX-Weibchen.

Erörterung Cp (pigmentierte Caudale) wurde zuerst von Dzwillo (1959), in seiner Studie über domestizierte Guppy-Arten, erwähnt und beschrieben. Seine grundsätzlichen Ergebnisse waren: 1) Die dominante Ausprägung der Muster in beiden Geschlechtern; 2) Die Rolle des Cp in Verbindung mit dem Y-gebundenen Gen namens Doppelschwert, und weiteren autosomalen Genen zuständig für Schwanzflossenvergrößerung, welche von Guppy-Kennern geschätzt wird; 3) Die X-Bindung, die später von Schröder (1969)bestätigt wurde, der eine Rekombination von 8.5% herausfand. Der gegenwärtige Befund entspricht im Wesentlichen dem von Dzwillo (1959) und Schröder (1969), mit zwei Ausnahmen: 1) In einigen Linien erschien das Gen auf beiden Geschlechtschromosomen des gleichen Fisches; 2) Der Rekombinations-Level stellt sich niedriger dar, als der damals veröffentlichte. Flavus (Fla) wurde von Winge und Ditlevsen (1947), als in einer Aquariums-Population als Mutation auftauchend, beschrieben. Das ursprüngliche Fla war X-gebunden, über eine Rekombination wurde nicht berichtet., und die Ausprägung war in beiden Geschlechtern dominant. Die hier vorgelegten Ergebnisse unterscheiden sich von denen von Winge und Ditlevsen (1947) darin, dass Fla auch auf beiden Sex-Chromosomen vorkommen kann. Dies ist der erste Bericht über die kombinierte Erbfolge von Cp und Fla, und es ergaben sich zwei interessante Beobachtungen aus den Verpaarungen, in denen Cp und Fla vorkamen. 1) Cp und Fla befinden sich an verschiedenen Stellen der Sex-Chromosome, was sich daraus ergibt, dass sie sowohl gekoppelt als auch getrennt vorkommen; 2) In den getesteten Linien kam Cp heterozygot vor, die für Fla homozygoten Männchen besaßen eindeutig kleinere Schwanzflossen als die für Fla heterozygoten Männchen. Diese Resultate sind ein starker Hinweis dafür, Fla einen hindernden Einfluß auf die den Schwanz vergrößernden Gene, Cp und autosomale Gene, über die von Dzwillo (1959) berichtet wurde, ausübt. Dieser hindernde Einfluß wurde in letzter Zeit nicht festgestellt. Über Nigrocaudatus II (Ni II) berichtete zuerst Dzwillo (1959), dass es ein absolut X-gebundenes Muster und von Geburt an und in beiden Geschlechtern evident wäre. In der vorliegenden Arbeit zeigten alle Verpaarungen, bis auf eine, eine X-Bindung für die Muster. In einem Y-Bindungs-Fall war ein bestimmter physiologischer Nachteil für die Ni II Individuen im Vergleich mit ihren normalen Geschwistern offensichtlich. Die Stärke der Auswirkung wurde durch unabhängige Faktoren hervorgerufen, vermutlich autosomale Gene, die auch die Intensität der Färbung beeinflussen. Ein derartiges Ergebnis zeigt, dass das Ni II Gen sich nahe der hypothetischen Zone auf dem X-Chromosom befindet, welche, vergleichbar der nicht rekombinativen Zone auf dem Y-Chromosom, eng mit einer letalen Stelle (area) verknüpft ist (Haskin et al., 1970). Daher ist die wahrscheinlichste Genanordnung der drei untersuchten Muster die einer geschlechtsbestimmenden Zone aus Ni II, Fla und Cp. Cp ist am weitesten von dieser Zone entfernt, da es einen hohen Crossover Level hat und aufgrund der hier berichteten Trennung des Cp vom X-gebundenen Fla während des Crossovers. Obschon das Phänomen geschlechtlicher Umkehrung bei den Poeciliiden, wie dem Guppy (Atz, 1964), dem Oryzias latipes (Yamamoto, 1975) und dem Platy Xiphophorus maculatus (Kallmann, 1975), gut bekannt und bei domestizierten Stämmen und Hybriden (Atz, 1964) nicht außergewöhnlich ist, gibt es keinen früheren Bericht über einen größeren Prozentsatz von XX-Männchen in der Nachkommenschaft eines domestizierten, nicht weiter ausgesuchten XY-Guppy-Männchens. In der einzigen älteren Untersuchung einer genetischen Basis über sex-chromosomen-funktionale Geschlechts-Inkompatabilität beim Guppy, berichten Winge und Ditlevsen (1947) über spontan auftretende einzelne XX-Männchen bei Nachzuchten von XY-Männchen. Im Gegensatz dazu weist das vorliegende Resultat 7 XX-Männchen aus einem Wurf auf. Die von Winge und Ditlevsen (1947) vorgeschlagene und von Dzwillo und Zander (1967) ausgearbeitete Hypothese stimmt mit diesen Ergebnissen überein. Eine unbekannte Zahl -autosomal die Sex-Gene beeinflussende – Gene, jedes mit drei möglichen Allelen (männlich und weiblich beeinflussend), können gemeinsam das Gleichgewicht des Geschlechts ändern und die Sex-Chromosomen außer Kraft setzen. In einigen Individuen gibt es eine Anhäufung dieser autosomal den Sexus beeinflussenden Gene in die eine oder andere Geschlechtsrichtung. Falls sie mit der Determination der Sex-Chromosomen übereinstimmen, oder ihr zumindest nicht deutlich widerstreben, gibt es keinen offensichtlichen Konflikt und das Geschlecht wird in normaler Weise kontrolliert. Wenn sie der Konstitution der Geschlechts-Chromosomen in ausreichendem Verhältnis entgegen wirken, wird das Geschlechtsgleichgewicht, vermutlich durch einen eine Schwelle überschreitenden Mechanismus – da kein intermediäres Geschlecht vorgesehen ist (Atz, 1964) - geändert und ein genetisches Weibchen kann eine funktinales Männchen werden. Kallmann (1968, 1975) hat eine Erklärung für funktionale Männchen vorgeschlagen, die weibliche Sex-Chromosome besitzen, entsprechend dem Xiphophorus maculatus, einer Art, in der drei Typen von Sex-Chromosomen in den Populationen vorkommen. Normale Weibchen haben WY, WX, oder XX und Männchen haben YY, oder XY. Aber wenn XY-Männchen des Cp-Stammes (eine Linie ohne W-Chromosom) mit einem WY-Weibchen des Np-Stammes gekreuzt werden, sind 50% der das W tragenden Fische männlich. Verschiedene Kreuzungen zeigten, dass dies auf einer geringen Kombination von Faktoren, hergeleitet aus den Np (? ps) und Cp Linien, vorzugsweise mittels der W-Chromosomen geschah. Künstliche Herbeiführung von Geschlechtsumwandlungen könnten einen Hinweis auf den Mechanismus dieser Kontrolle geben. Dzwillo (1962) und Takahashi (1975) gelang es, dass funktionale Geschlecht von Guppies durch Verabreichung weiblicher Hormone an das Muttertier, 8 – 10 Tage vor der Geburt, zu verändern. Offenbar ist dies ein wichtiger Zeitpunkt für die Bestimmung der Geschlechtsdrüsenfunktion. Ein geringer Stoß nicht gonadal erzeugter Sex-Hormone scheint der normale Kontrollmechanismus zu sein. Da (zumindest bei höheren Tieren) der unmittelbare Vorgänger des weiblichen Sex-Hormons das männliche Sex-Hormon Testesteron (White, Handler und Smith, 1968) ist, kann ein XX-Männchen entstehen als eine Mutation, die die Aktivität des Enzyms, welches die Umwandlung von 19-hydroxytestesteron in 17-ß-estradiol katalysiert, unterbindet. Aber, bis die genetische Basis steroider Biosynthese in beiden Geschlechtern erforscht ist, wäre es zu schwierig, eine Hypothese der anderen vorzuziehen.