鱼类性别与性别鉴定.pdf

收稿日期 2005207206 修订日期 2005209220 基金项目 国家自然科学基金资助项目 30370701 农业部淡水鱼类种质资源与生物技术重点实验室项目 作者简介 杨东 1974 男 湖北武汉人 博士研究生 主要从事鱼类遗传学研究 通讯作者 余来宁 1948 博士生导师 E2mail yulaining vip 综 述 鱼类性别与性别鉴定 杨 东1 2 余来宁2 1 1 华中农业大学 武汉 430070 21 江汉大学医学与生命科学学院 武汉 430056 SEX AND SEX IDENTIFICATION OF FISH Y ANGDong1 2and Y U Lai2Ning2 11Huazhong Agricultural University Wuhan 430070 21Medical and life science school of Jianghan University WUhan 430056 关键词 鱼类 性别决定 性染色体 K ey words Fish Sex determination Sex chromosome 中图分类号 Q95914 文献标识码 A 文章编号 100023207 2006 20220221206 性别分化和性别决定相互联系又有所区别 具双向潜力 的未分化性腺经过程序性发生的一系列事件 发育成精巢或 卵巢 并出现第二性征的过程称为性别分化 而性别决定则 是确定性分化方向的方式 鱼类在整个脊椎动物中 其性别 类型和表现形式格外丰富多彩 近20多年来对于鱼类性别 决定的遗传基础研究已取得不少重要进展 鱼类性别的分子 鉴定研究过程也慢慢从鱼类基因组中寻找哺乳动物性别基 因的同源基因 逐渐转向寻找鱼类自身的性别决定基因 但 离最终阐明鱼类性别决定的机制还有距离 深化对鱼类性 别决定机制 性别生理生化与遗传学的研究 不仅有助于揭 示鱼类性别决定的奥秘 同时对脊椎动物性染色体的起源和 性别决定模式的进化等理论问题有积极意义 1 鱼类的性染色体和性别决定类型 高等脊椎动物的性别决定系统一般较为简单 如哺乳动物 的XX XY 鸟类的ZW ZZ等 几十年的细胞遗传学研究表明 鱼类性别决定几乎包括了动物的所有性染色体类型 中国目前 已研究过的鱼类染色体中 只有14种具有异型性染色体 分布 于进化历史不同的6个分类群 目 中 表 1 加上国际上近年 来发现的近20种有性染色体的种类 据统计 大约有2000多种 真骨鱼类做过了染色体组型的研究 可能有近100种鱼类被认 为有性染色体 但是在细胞遗传学研究上能分辨出来的 具有较 好性染色体形态分化的鱼类可能只有40种左右 目前一般认为鱼类性别的染色体决定类型主要有6类 XY型 是指雌性为同配性别 雄性为异配性别 如刺鳅 虹 鳟 胡子鲶等 ZW型 此类型的雄性为同配性别 雌性为异 配性别 如日本鳗鲡 奥利亚罗非鱼和大鳞副泥鳅 X 型 XY型的一种特殊形式 雌性是同配性别 只产生一种含X染 色体的卵子 雄性为异配性别 只含一条X染色体而无Y染 色体 在做过染色体组型分析的鱼类中 发现少数几种深海 鱼类 具 有 这 种 性 染 色 体 机 制 如 褶 胸 鱼 Sternoptyx di2 aphana 1 Z 型 ZW型的一种特殊形式 雄性为同配性别 雌性为异配性别 体细胞内仅含一条Z染色体而无W染色体 分布于长江中下游的短颌鲚就属于这一类型 2 其雌鱼的染色 体为47条 而雄鱼则有48条 X1X1X2X2 X1X2Y型 即复性染色 体型 该类型仅发现于鱼类 例如Parablennius tentacularis 3 少数 鱼 类 具 有 复 杂 的 性 别 决 定 系 统 如 剑 尾 鱼 Xiphophorus maculatus 中存在3个性染色体W X Y 4 此物 种的雌性个体的性染色体类型为WY WX或XX 雄性个体的 性染色体类型为XY或YY 由于存在不同的染色体类型 在 自然群体中这些具有不同的染色体类型的个体存在6种 2 3 交配情况 显示不同的杂交后代及比例 表 2 2 鱼类性染色体的基本特征 在绝大多数鱼类中迄今鉴定不出异型性染色体 这种情 况可能说明绝大多数鱼类还没有进化到具有性染色体机制 的程度 一般认为在脊椎动物性别决定的进化过程中鱼类被 认为处于原始阶段 也有专家认为实际上这些鱼类都具有 第30卷 第2期 水 生 生 物 学 报 Vol 30 No 2 2 0 0 6年3月ACTA HY DROBIOLOGICA SINICAMar 2 0 0 6 性染色体 只是运用现有的生物学技术还不能准确的鉴别出 来 现在通过染色体显带 性连锁遗传性状 性逆转后的杂 交后代检测或诱导雌核或雄核发育都显示出在细胞学水平 上不能区别出的性染色体 但是鱼类性染色体比脊椎动物分化较少是很明显的 利用人类X染色体特异的DNA片段为探针 对3种不同性 染色体分化水平的鱼类 斑马鱼 黄鳝和刺鳅 进行的染色体 组描绘发现 人类X染色体的同源片段散布于鱼类的几对同 源染色体中 这些保守片段也就是鱼类和其他脊椎动物X 染色体起源和进化的物质基础 5 表1 国内用细胞学手段发现性染色体的鱼类 Tab 1 The fishes in which sex chromosomes are found by means of cytology in China 目种 名类型 作者 鲤形目 鲶形目 鲈形目 鲱形目 鳗鲡目 形目 鲫Carassius auratus auratus 银鲫C1a gibelio 大鳞副泥鳅Paramisgurnus dabryanus 胡子鲶Clarias fuscus 革胡子鲶C leather 斑点胡子鲶C macrocephalus 蟾胡子鲶C batrachus 白缘 Leiobagrus marginatus 黑尾 L nigricauda 拟缘 L marginatoides 刺鳅Mastacembelus sinensis 短颌鲚Coilia brachygnathus 星康吉鳗Conger myriaster 斑头鱼 Agrammus agrammus XX XY XX XY ZZ ZW XX XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX XY ZO ZZ ZW ZZ XX XY 昝瑞光等 1982 常重杰等 1997 邬国民等 1986 李康等 1985 余先觉等 1989 洪云汉等 1984 喻子牛等 1995 郑家声等 1997 表2 剑尾鱼的性染色体类型及性别比例 Tab 2 Genotypes and sex ratio of the platyfishXiphophorus maculates 交配 Mating 性比 Sex ratio 后代的基因型 Genotypes of offspring WY XY WY YY WX XY WX YY XX XY XX YY 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 0 1 WX WY WY WX WY XX WY XX XY YY YY XY XY XY XY 鱼类的性染色体和性别决定体系也并不是整齐划一的 有时还存在着多种形式 如天竺鲷属一种鱼Apogonnotatus 的一个群体中 雄性个体具有一对明显的异形染色体 而在 另一些群体中 雌性和雄性的核型完全一样 2 食蚊鱼有两 个亚种 其中Gambusia affinisaffinis具有明显的异形ZZ ZW染 色体 而G affinus holbrooki则没有 昝瑞光在研究鲫鱼的性 染色体时认为 其性染色体并非简单划一 不同的亚种和类 群的分化情况是不一样的 Thorgeard的研究表明 虹鳟的性 染色体中Y的大小甚至是连续变异的 6 鱼类的性染色体形成和进化在不同类群可能涉及了不同 的机制 利用红点鲑属 Salvelinus 鱼类的性染色体作探针的 染色体描绘证实 鲑科鱼类中的大马哈鱼属 Oncorhynchus 鲑 属 Salmo 和红点鲑属之间的性染色体没有同源性 7 因此它 们的起源可能是相对不同的 或后期分化较大 剑尾鱼近缘 种中 也存在雌雄性比失常和性染色体异常的现象 同时实验 证据表明 剑尾鱼的祖先种已有XX2YY性别决定系统 而目前 它的W2X2Y系统可能是基因突变或染色体重排的结果 复性 染色体 X1X1X2X2 X1X2Y 类型的形成中 可能是由于某个常 染色体被转移到Y染色体中 变成了巨大的中部着丝粒性染 色体 8 综上所述 鱼类性别的染色体决定机制有以下特点 性 染色体异型的分化不完美 大多数鱼类还难以分辨出性染色 体 性染色体的分化发生于进化历史不同的分类群中 没有 一个统一的模式 性别决定类型复杂 染色体可塑性强 3 性别决定机制假说 目前看来 只有在具有初步异型性染色体分化 并且已 经鉴定或定位出性别决定后选基因的少数鱼类 如青 和鲑 鳟鱼类等 中 可以认为性别是由性别决定基因所控制的 但对绝大部分鱼类来说 性别决定基因还看待寻找与证实 性别决定也只能从 遗传 而不是基因的角度解释 Hammerman和Avtalion根据对罗非鱼不同种之间杂交和 回交的实验结果 提出鱼类性别决定的 常染色体平衡理 论 9 该理论认为调节鱼类性别的基因位于性染色体和常 222 水 生 生 物 学 报30卷 染色体上 鱼类的性别是由染色体上雄性和雌性的基因产物 数量优势来决定 如果雄性决定因素超过雌性决定因素 则 雄性比例较高 反之 雌性决定因素超过雄性决定因素 则雌 性比例较高 在行天然雌核发育的银鲫 彭泽鲫等种群中存 在少量的雄性比例 这一事实说明鱼类的常染色体似乎确有 控制性别的基因存在 由此Yamamoto提出了多基因模型 Polygenic model 10 以解释鱼类性别决定现象 此模型认为雄性因子 M 和雌性 因子 F 的主要部分分别存在于Y和X染色体上 同时 常 染色体上亦分布有它们的同义因子 基因型为AAXX的个 体是遗传的雌鱼 其性因子是6F 6M 所以诱导物 雌性决 定素 比雄性诱导物 雄性决定素 产生得多 因而能使未分 化性腺诱导为卵巢 反之 AAXY个体产生更多的雄性诱导 物 雄性决定素 而使未分化性腺诱导为精巢 可是用适量 的雌 雄 性诱导物质投喂AAXY AAXX 幼鱼 就能诱导未分 化性腺 使之成为卵 精 巢 图 1 此模型获得了一定的发展 而且至今仍被许多学者采 用 这种假说虽然有一定道理 但过于简单 迄今为止此模 型尚未在分子水平上加以证实 无法说明多因子相互作用的 机制 图1 正常性分化 实线 和逆转性分化 虚线 模式示意图 Fig 1 Schematics diagram of normao sex differentiation solid lines and sex reversak dotted lines 4 性染色体的识别 由于鱼类性染色体处于进化的原始状态 大多数鱼类的 性染色体与常染色体在形态上无法区分 所以常采用细胞学 以外的方法来确定配子同型或配子异型 1 这些方法包括性 连锁性状 性反转动物杂交 人工雌 雄 核发育 染色体核型 和带型分析 种间杂交和分子标记等 411 性连锁性状 遗传研究表明在许多物种中 有一些表型性状是与性别 联系在一起的 鱼类中也不例外 并可根据其与性别连锁的 关系进而推断其性决定体系 Winge证明了虹 Poecilia reticulata 具有性连锁基因 并证明该鱼为雄性配子异型 虹 雄性体色鲜艳 有多种不同形式 而雌性则是单一灰色 经典遗传研究证明 使雄性身体产生红色斑点 背鳍上出现 黑色斑点是由Ma基因控制的 这一性状限于雄性中 还有许 多体色基因具有类似的遗传方式 由此说明是XY型性决定 具有性连锁基因的鱼现在发现的还不多 例如青 Oryzias latipes 和斑点叉尾 Ictalurus punctatus 具有这种类型的基 因 11 12 412 性反转动物杂交 性反转在鱼类中是极其普遍的 在鱼类中存在由于环 境因素如温度和性激素诱发的性反转 这些性反转个体与 正常个体杂交 其后代性决定仍由性染色体决定 如果雌性 是同配性别的 它反转成为雄性后与正常雌性个体杂交生出 的后代应由单一雌性组成 而如果雌性是异配性别时 经类 似的杂交生出的后代中应同时出现雌雄个体的雌雄比为 1 3 通过这类实验证明金鱼是雄性异配的即XX XY型 鲤 鱼 莫桑比克罗非鱼也是一样 13 413 染色体的带型 由于鱼类进化地位较低 其性染色体分化程度不明显 尽管一些种类中已有一定程度的分化 但在形态上还没有明 显的差异 染色体分带技术可以揭示染色体的精细结构 检 测出性染色体之间细微的结构差异 而其中C2带是鱼类染 色体分带中较为稳定和常用的方法 它特异显示结构异染色 质的位置 一般来说 脊推动物的性染色体上普通存在有组 成型异染色质 根据银染带和C带特征分析 证实大鳞副泥 鳅为ZZ ZW型性别决定 14 其Z染色体为中部着丝粒染色 体 以银染点和端部C带为标志 W染色体为亚中部着丝粒 染色体 除也具有银染点和端部C带的标志外 还以其特有 的居间C带与Z染色体相区别 这是W染色体独有的带纹 特征 Andreata应用C2带技术证实了甲鲇科的Pseudatocinclus tetensis的性染色体组成为XX XY型 15 414 种间杂交 在具备不同性染色体机制的两个种之间 通过杂交可以 检测出配子异型 已知雌性配子同型种的雌体与雄性配子 同型种的雄体交配将得到全雄后裔 正反交后代既得到雄性 亦得到雌性 这种方法已被用于罗非鱼的性别决定研究 在自然界 罗非鱼有ZW 2ZZ 以及XX 2XY 含两种性 染色体型 罗非鱼杂交产生的全雄鱼实际上是两大类性染色 体之间杂交的结果 发现其母本均为XX 而其父本均为ZZ 这样XX xZZ 一XZ XZ表现出和XY一样的特点 所以 是雄鱼 借此可判断性染色体类型 415 人工诱导鱼类单性发育 鱼类中也有少数种类是行单性生殖 如银鲫是已确认 的天然雌核发育的鱼类 16 单性生殖的理论依据是基于 成熟卵子 精子 已具备全部发育信息的潜能 从理论上 分析 雌核发育成活的子一代 如果全是雌性 那么它的亲 本雌性应是同型配子 XX 雄性是异型配子 XY 其性决 定体系是XX XY 但如果雌核发育成活的子一代 既有雌 性个体又有雄性个体 它的亲本雌性则就是异型配子 2期杨 东等 鱼类性别与性别鉴定223 ZW 即其性决定体系为ZZ ZW 雄核发育的情况应该正 好相反 因此 根据单性生殖子一代的性别表现 可以推 测其亲本性决定的机制 416 分子标记 由于大多数鱼类性染色体分化程度较低 无法从形态上 加以识别 同时鱼类性别决定的可塑性大 在胚胎发育过程 中易受环境条件的影响 导致性表现与遗传基础的不一致 找出性别特异的DNA片段 作为性决定遗传基础的分子标 记是一种较简捷的鉴别方法 Nakayama等人就是利用这种 方法在Leporinus elongatus中找出了两个性特异片段 并识别 出这种鱼为ZZ ZW型性决定 但这两个片段在其他鱼类中 未显示性特异性 17 Wevlin等人应用差减DNA杂交方法 从大鳞大麻哈鱼基因组DNA中分离到了一个Y染色体特异 的重复序列 大鳞大麻哈鱼Y染色体上的串联重复DNA是 鉴定具有Y染色体的可靠标志 18 虹鳟中的OmyP9是性染 色体特异的序列 19 剑尾鱼中的Xmrk 来源于黑色素瘤原 癌基因 是X和Y染色体共同的标记 而XIR是Y染色体特 有的末端重复序列 20 5 从鱼类中寻找可能的性别相关基因的历程 目前人们对在鱼类性别决定与分化中起关键作用的基 因或染色体区域还知之甚少 研究过程也经历了在鱼类基因 组中寻找哺乳动物性别基因的同源基因 逐渐转向寻找鱼类 自身的性别决定基因 511 重复序列 重复序列是基因进化的源泉之一 在性别染色体的分化 进化中 它可能也起着一定的作用 BK M Banded krait minor 微卫星DNA序列 G ATA 在鸟类和爬行类性别决定中有一定 作用 也是性染色体的标志之一 鱼类中发现有此类重复序 列的同源片段 但还没有证据显示它们具有性别决定作 用 21 22 Devlin 18 克隆和分析了大鳞大麻哈鱼 Oncorhyuchus tschawytscha Y 染色体上DNA随机重复序列OtY8 并认为 OtY8与性别决定簇紧密相联 Borkhsenius等 23 研究了正常 的和矮小的红大麻哈鱼 O nerka 中Sau3A重复序列 且证 明Sau3A影响O nerka的性别决定 总之重复序列在性染 色体的异型化进化中可能起着一定的作用 但其是否一定构 成性别决定基因还有待研究 512 ZFY 这个基因所编码的蛋白质在结构上是由氨基酸构成的许 多指状环组成的 中间由锌桥连接 因此称之为 锌2指 蛋白 这种蛋白质具有明显的可与DNA结合的结构特征 因而可能 参与基因表达调节 以ZFY片段为探针 在珊瑚鱼 斑点叉尾 虹鳟不能产生性别特异性的杂交带 21 22 现在认为它不 是性别决定的主要信号 而是可能在性别分化的级联作用中 担任某一角色或是作为一般的转录因子 513 H2Y抗原 H2Y抗原是细胞表面的一种大分子 在脊椎动物中 不 但与性别的异配性始终有关 而且还具有进化上的保守性 即H2Y抗阳性 十 是异配性别 在哺乳动物中雌雄性可能 都含有结构基因 但只有XY染色体的正常雄性个体才具有 激活基因 对鱼类H2Y抗原的研究发现较低等的鱼类如等椎类的 鲑科鱼类及骨膘类的鲤科鱼类 H2Y抗原在雌雄鱼都有表 达 说明H2Y抗原系统的表达可能在进化过程中逐步分化 现已知北极红点鲑 Salvelines alpinus 虹鳟 Salmo gairdueri 拟鲤 Rutilus rutius 鲫雌雄鱼性腺细胞都有H2Y抗原 并且 抗原 抗体反应程度相似 但在较高等的鱼类显示异型染色 体性别具H2Y抗原 如青 罗非鱼等雄性有H2Y抗原 雌性 则无 24 H2Y抗原已与性别相关联 根据对哺乳类 鸟类及 两栖类 甚至鱼类H2Y抗原的研究成果表明 当H2Y抗原与 性别相时 它一定是与异配性别的性腺分化有关 514 SPY Sex related Region of Y SPY基因就是哺乳动物性别决定过程中睾丸决定因子 的主宰基因 哺乳动物的该基因位于Y染色体上 周荣家 等利用SOUTHERN印迹杂交的方法 证明胡子鲇和斑马鱼基 因组DNA均能与人的SRY探针结合 表明这两种鱼都存在 SRY基因的同源序列但是却没有发现与性别有关的特异杂 交带 即无性别特异性 25 泥鳅 刺鳅和鲫中也得到有关 SRY基因同源性的类似实验结果 26 27 28 人的SRY同缘基 因还被定位在黄鳝的第1号染色体上 29 总的来看 SRY等 因子不是鱼类性别决定的因子 但是 它是否可能像哺乳动 物那样对性别决定的下游基因 例如Sox9基因 有调控作用 目前还没有证据 515 DMY DM domain gene on Y2chromosome 作为研究性别决定基因及其功能的后选基因 最终还是 必须从鱼类本身的基因组中去定位和寻找性别相关的基因或 DNA标记 这方面的研究中 以青 中得到的结果最令人鼓 舞 通过对青 Y染色体上的性别决定相关区段的重组和缺 失分析 最后逐步缩小到1个250kb的区域 从中找到的1个 新基因被命名为DMY Double sex mab23domain of Y chromo2 some 30 在雌性染色体上没有它的同源序列 DMY基因是迄 今鱼类在Y染色体上找到的 与精巢发生与分化直接相关证 据最充分的一个性别决定功能基因 与SRY在哺乳类的作用 类似 DMY仅在青 XY性腺体细胞内表达 是雄性正常发 育所必需的 且其表达量需达到一定的阈值 减少也将产生 XY雌性个体 其开放阅读框一个点突变也能诱导XY雌性个 体产生 但DMY并不存在于青 的所有种系 也未能在其他 的硬骨鱼类找到其同源基因 31 所以鱼类性别决定有别于哺 乳类的 在不同的种甚至是不同的品系之中 可能存在不同的 性别决定基因 516 DMRT1 DM2related transcription factor Raymond等在人类中克隆到DMRT1基因后 根据表达谱 和染色体定位 认为该基因是一个性别分化基因 与雄性性 别发育有关 32 在鱼类方面 目前已从罗非鱼 虹鳟 青 等中克隆了DMRT 1基因 32 33 34 在罗非鱼中 组织特异性 表达检测表明DMRT 1基因只在精巢中表达 雄激素诱导产 224 水 生 生 物 学 报30卷 生的XX雄鱼的精巢中有DMRT 1基因的表达 32 在虹鳟 中 DMRT 1也只在精巢中表达 性腺分化发育期 DMRT 1基 因在精巢中表达 卵巢中则无 33 在青 中 性别决定期的 性腺中未检测到DMRT 1的表达 在成体组织中 DMRT1也 只在精巢中表达 上述结果表明 与在其他脊椎动物中的功 能一样 在鱼类中 DMRT 1是一个性别分化基因 与精巢的 形成和功能维持有关 34 在另上一些具有初步或较好异型性染色体分化的鱼类 如虹鳟 几种太平洋鲑 Oncorhynchus keta O gorbuscha O kisutch O tshawytscha 和罗非鱼等 也已经有了关于性染色体 作图的报道 这些工作为在更多鱼类中寻找和定位性别决定 位点 区段 进而克隆和鉴定性别决定基因奠定了初步基础 鱼类性别决定类型和性别决定方式因种而异 因而性别 决定的分子机制也表现为复杂多样 同时 进化上的原始性 导致鱼类性别可塑性强 性别分化通路下游基因或一些常染 色体基因突变 以及外界环境因子的变化都可以导致完全的 性逆转 因此 对鱼类性别决定和分化分子机制尚未形成统 一 还有许多问题有待解决 参考文献 1 Lou Y D Fish breeding M Beijing China Agriculture Press 1999 196 201 搂允东 鱼类育种学 北京 中国农业出版社 1999 196 201 2 Yu X J Zhou D Li Y C et al Chromosome of Chinese fresh2water fishes M Beijing Science Press 1989 余先觉 周暾 李渝成 等 中国淡水鱼类染色体 北京 科学出版社 1989 3 Caputo V Machella N Nisi2Cerioni P et al Cytogenetics of nine species ofMediterranean blenniesand additional evidence for an un2 usal multiple sex2chromosome system inParablennius tentacularis Perciformes Blenniidae J Chromosome Res 2001 9 3 12 4 Jia F J Wang J W Wu Q J Gynogenetic rare minnow gobiocypris rarus induced by heterogeneous sperms J Acta hydrobiologica Sini2 ca 2002 26 3 246 252 贾方钧 王剑伟 吴清江 异源精子 诱导稀有 鲫的人工雌核发育 水生生物学报 2002 26 3 246 252 5 Y i M S Yu Q X Huang X et al Paintiong the chromosomes of fishes with human sex chromosome specific DNA 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