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項目文章丨基因組解析鯉科魚遠(yuǎn)源雜交現(xiàn)象

      鯉科魚類是輻鰭魚綱中最大且物種多樣性最高的科之一。在現(xiàn)生鯉科魚類人工雜交育種中，屬間雜交產(chǎn)生兩性可育雜交后代的現(xiàn)象屢見不鮮。自然環(huán)境下鯉科魚類的物種多樣性是否與雜交后導(dǎo)致的基因滲入存在密切聯(lián)系，以及相關(guān)的分子生物學(xué)調(diào)控機(jī)制，目前研究仍十分有限。

      近日，湖南師范大學(xué)劉少軍院士團(tuán)隊與昆明動物研究所吳東東老師團(tuán)隊合作在知名期刊《GigaScience》（IF=11.8）上發(fā)表了題為“Genomes reveal pervasive distant hybridization in nature among cyprinid fishes”的研究論文，揭示了鯉科魚自然雜交的普遍性及其對物種形成的重要性。本研究通過對8種鯉科魚基因組de novo組裝及結(jié)合其他已經(jīng)發(fā)表的高質(zhì)量鯉科魚基因組進(jìn)行比較基因組分析，探討了雜交事件對物種形成的貢獻(xiàn)，并分析了團(tuán)頭魴與翹嘴紅鲌的分化機(jī)制。結(jié)果表明，基因流事件在鯉科魚類起源中起關(guān)鍵作用，其影響的功能分化可能是推動其物種形成的關(guān)鍵原因。華命生物為該項目提供了測序及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析支持。

 

一、基因組測序和組裝

       研究團(tuán)隊利用PacBio HiFi和Oxford Nanopore技術(shù)對8種東亞鯉科魚類進(jìn)行基因組測序，結(jié)合HI-C技術(shù)，將團(tuán)頭魴和翹嘴紅鲌的基因組組裝到染色體水平，并首次提供了土鯪、麥穗和黃尾鲴的高質(zhì)量參考基因組。此外，研究團(tuán)隊還整合了公共數(shù)據(jù)庫中已有的15種鯉科魚類基因組數(shù)據(jù)，涵蓋了7個非多倍體亞科和3個多倍體亞科，為鯉科魚類演化研究提供了重要的基因組資源。

表1:8種鯉科魚基因組測序和組裝結(jié)果

 

二、系統(tǒng)發(fā)育與基因滲入分析

      研究以貴州爬巖鰍為外群，對24種鯉科魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，形態(tài)與斑馬魚相似的稀有鮈鯽實則屬于Gobioninae亞科，分化時間約41.5至61.3百萬年前（圖1）。該分析結(jié)果也為現(xiàn)存鯉科魚類共同祖先的分化提供了分子生物學(xué)證據(jù)。而基因流分析顯示，17種非多倍體鯉科魚類間普遍存在基因滲入，這一發(fā)現(xiàn)有力地支持了“基因流是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)育不一致性的主要驅(qū)動因素”的假設(shè)。

圖1：鯉科魚系統(tǒng)發(fā)育分析

 

三、物種間生殖系統(tǒng)的保守性

      鯉科魚類在物種形成過程中頻繁發(fā)生基因流事件，這表明不完全的生殖隔離可能在物種形成過程中起著重要作用。為了探究這一現(xiàn)象的潛在遺傳機(jī)制，作者基于團(tuán)頭魴與翹嘴紅鲌的基因組數(shù)據(jù)，結(jié)合來自6個器官（大腦、肝臟、腸道、肌肉、腎臟和精巢）的表達(dá)數(shù)據(jù)，開展了一系列分析。通過聚焦各個器官的差異表達(dá)基因數(shù)量、特異表達(dá)基因的Ka/Ks比值、以及序列保守性評估（如phastCons值等）（圖2），研究發(fā)現(xiàn)，團(tuán)頭魴和翹嘴紅鲌在食性相關(guān)器官——腸道的演化速率最快，而精巢的演化速率則相對較慢。

      這一研究結(jié)果提示，草食性團(tuán)頭魴與肉食性翹嘴紅鲌之間，腸道的快速演化可能是導(dǎo)致兩者物種分化的關(guān)鍵因素。為進(jìn)一步探究腸道的生理特征，作者對腸道中胰蛋白酶和脂肪酶的酶活性進(jìn)行了檢測（圖3），驗證了食性差異與消化酶活性之間的關(guān)系。通過對腸道中與消化酶相關(guān)的基因進(jìn)行富集分析及正選擇基因的篩選，鑒定出30個正選擇基因，其中caspbl和vsig與肽酶活性、細(xì)胞凋亡及免疫反應(yīng)相關(guān)。這表明，這些基因可能通過調(diào)節(jié)消化酶的分泌，推動了飲食適應(yīng)性的進(jìn)化。

圖2：團(tuán)頭魴和翹嘴紅鲌地理分布和遺傳分化

圖3：團(tuán)頭魴和翹嘴紅鲌食性分化

 

四、基因流對攝食習(xí)性潛在影響

      為了進(jìn)一步探討基因?qū)︴幙启~類食性多樣性的影響，作者對兩類草食性魚類（草魚和團(tuán)頭魴）與兩類肉食性魚類（翹嘴鲌和鱤魚）進(jìn)行了比較分析，重點考察了食性相關(guān)器官（如咽齒、腸道、骨骼肌）的特征（圖4），并結(jié)合斑馬魚中已發(fā)表的功能驗證研究，推測Zbtb16a、tp53、grin2bb等11個基因可能通過基因滲透作用與這些魚類食性演化緊密相關(guān)。盡管如此，以上研究仍需進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支持與驗證。

圖4：基因流對鯉科魚攝食習(xí)性的影響研究

 

 

結(jié)語和展望

      本研究揭示了鯉科魚類在食性演化中的關(guān)鍵機(jī)制，特別是腸道相關(guān)基因的快速演化可能是物種分化的關(guān)鍵因素。通過基因組數(shù)據(jù)分析，研究驗證了食性差異與腸道消化酶活性之間的關(guān)聯(lián)，并識別了與食性演化相關(guān)的正選擇基因。這為理解鯉科魚類的適應(yīng)性進(jìn)化提供了重要線索。然而，腸道與消化酶活性之間的具體機(jī)制尚需進(jìn)一步驗證，基因滲透作用的詳細(xì)機(jī)制仍待明確。未來的研究將結(jié)合更廣泛的物種數(shù)據(jù)，深入探索遺傳、表觀遺傳和生態(tài)因素如何共同驅(qū)動物種分化與適應(yīng)性進(jìn)化。

 

參考文獻(xiàn)

“Genomes reveal pervasive distant hybridization in nature among cyprinid fishes”GigaScience；https://DOI: 10.1093/gigascience/giae117

 

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