2020年11月03日，北京百邁客生物科技有限公司合作項(xiàng)目金魚基因組及群體馴化研究成果以“The evolutionary origin and domestication history of goldfish(Carassius auratus)”為題在國際知名期刊PNAS上在線發(fā)表。文中組裝獲得了高質(zhì)量的金魚基因組 (2n=100)的同時(shí)，通過比較基因組學(xué)研究解析了古代雜交事件產(chǎn)生了兩個(gè)亞基因組；進(jìn)一步通過185條代表性金魚變種和16條野生鯽魚的重測序分析，揭示了金魚的起源，并鑒定了與馴化相關(guān)的受選擇基因區(qū)域。研究中全面收集了金魚品種，獲得了與眾多解剖特征相關(guān)遺傳變異信息，其中包括區(qū)分傳統(tǒng)金魚進(jìn)化的特征。除此之外，鑒定了酪氨酸蛋白激酶受體作為透明突變體的候選基因。為金魚的基因組和多樣性數(shù)據(jù)提供了豐富的資源，使得金魚成為功能基因組學(xué)和馴化研究具前景的模型。
研究結(jié)果1：金魚基因組組裝
圖1 金魚A亞基因組和B亞基因組概況（A）；金魚Hi-C互作熱圖（B）
研究結(jié)果2：金魚亞基因組揭秘
在過去的50年里，一直推測金魚基因組是四倍體。近期研究表明，鲃亞科Barbinae (2n = 50) 中的鯉魚科可能是金魚最接近的二倍體祖先，進(jìn)而形成這樣一個(gè)假說：鲃亞科（Barbinae）可能是二倍體金魚譜系的祖先種，研究中進(jìn)一步進(jìn)行了6個(gè)代表性的二倍體鲃亞科物種（包括條紋小鲃，大鱗高須魚，長臀鲃，黑鰭袋唇魚，施氏魮和裂峽鲃）的全基因組鳥槍測序并進(jìn)行基因組組裝。金魚染色體可清晰分為兩個(gè)亞基因組，通過reads多序列比對，發(fā)現(xiàn)金魚來自兩個(gè)祖先世系，其中一個(gè)是鲃亞科共有的，進(jìn)一步將與鲃亞科比例高的reads所在染色體定為A亞基因組（ChrA01~A25)并將其余染色體定為B亞基因組 (ChrB01~B25)（圖2）。此外，基于1個(gè)核基因的系統(tǒng)進(jìn)化分析，即結(jié)締組織生長因子like基因在二倍體金魚中僅有1個(gè)拷貝，但在四倍體金魚中含有2個(gè)拷貝，結(jié)果顯示鲃亞科物種的同源基因與金魚A亞基因組同源基因聚類到一起（斑馬魚和鯉魚作外群）。研究結(jié)果表明，A亞基因組可能起源于鲃亞科內(nèi)的祖先物種，而B亞基因組的二倍體祖先可能已經(jīng)滅絕或起源于未知的鯉科魚類譜系，推測金魚的起源可能是由于異源多倍化事件。金魚的A和B亞基因組分別包含28,133和26,141個(gè)基因。同時(shí)通過金魚10個(gè)不同組織的RNA-seq測序，探索了A和B兩個(gè)亞基因組之間的差異表達(dá)，發(fā)現(xiàn)同源基因在兩個(gè)亞基因組之間表現(xiàn)出不對稱的表達(dá)模式，而全基因組范圍內(nèi)的表達(dá)水平總體上更偏好A亞基因組。
圖2 鲃亞科條紋小鲃Puntius semifasciolatus?Reads與金魚的比對效率
研究結(jié)果3：金魚基因組進(jìn)化研究
在同源染色體對ChrA01/ChrB01, ChrA04/ChrB04, ChrA05/ChrB05, ChrA09/ChrB09, ChrA11/ChrB11和ChrA15/ChrB15上出現(xiàn)了大片段倒位，盡管整體共線性很強(qiáng)。這些大的片段倒位可能是異源四倍體形成的原因之一。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，金魚兩個(gè)亞基因組（Ks= ~0.17）與鯉魚（Ks= ~0.21）之間的分歧時(shí)間（13.28-16.67 MYA），早于金魚和鯉魚之間的分歧時(shí)間（7.81?8.77 MYA）（Ks =?0.10）（圖3 A）。此外，文中假設(shè)全基因組復(fù)制（WGD）事件發(fā)生在金魚和鯉魚的共有譜系中，因此它們可能具有相同數(shù)量的染色體（2n = 100），染色體基數(shù)（2n=50）是二倍體鯉亞科成員的兩倍，暗示這兩個(gè)種都是四倍體。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)斑馬魚于~ 32.8-36.8 MYA，與鯽魚、鯉魚和草魚由共同的祖先（LCA）分化而來（圖3 B）。
圖3 金魚、鯉魚、草魚、條紋小鲃和斑馬魚的全基因組復(fù)制事件（A）和系統(tǒng)進(jìn)化分析（B）
研究結(jié)果4：金魚群體進(jìn)化研究
通過201個(gè)個(gè)體（16只野生鯽魚和185只代表性金魚變種，平均測序深度12.5 x）的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建發(fā)現(xiàn)普通金魚與鯽魚親緣關(guān)系最近（圖4 A-C），進(jìn)一步結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育樹和PCA分析確定各金魚變種的系統(tǒng)分化關(guān)系，區(qū)分普通金魚和卵金魚（無背鰭）和溫金魚（有背鰭），無背鰭金魚和有背鰭金魚進(jìn)一步分為不同的亞群。
圖4 金魚群體結(jié)構(gòu)分析
LD及群體選擇分析支持了前期的假設(shè)，即金魚馴化過程中種群遺傳瓶頸效應(yīng)的存在和強(qiáng)烈的人工選擇（圖5 A）。進(jìn)一步的遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，由于人工選擇的結(jié)果，從鯽魚和普通金魚的馴化過程中遺傳多樣性的增加，表明了從鯽魚馴化后，金魚重要遺傳變異的積累（圖5 B）；33個(gè)金魚個(gè)體和16個(gè)野生鯽魚個(gè)體的群體選擇分析發(fā)現(xiàn)了50個(gè)受選擇區(qū)域（25.2 Mb區(qū)間內(nèi)，共計(jì)946個(gè)基因）（圖5 C），940個(gè)候選基因中大部分與形態(tài)發(fā)生，色素沉著，行為，免疫反應(yīng)/傳染病，能量代謝和對激素的反應(yīng)有關(guān)；進(jìn)一步通過以上201個(gè)個(gè)體的選擇性清除分析發(fā)現(xiàn)393個(gè)基因受選擇，其中21個(gè)代表性候選基因中，有13個(gè)與在斑馬魚中存在敲除系的基因同源，這些敲除系顯示與行為相關(guān)的突變表型（pcdh15a和agrp），眼睛大小減?。?em>ndufs5），細(xì)胞遷移（nav3和zap70）或腦大小減?。?em>aurka）。
圖5 金魚群體遺傳多樣性和群體選擇分析
研究結(jié)果5：金魚表型性狀GWAS關(guān)聯(lián)分析
背鰭作為金魚一重要的表型特征，在不同變種中形態(tài)不一，背鰭是區(qū)分Wen金魚和Egg金魚的顯著特征，背鰭的縮小是Egg金魚進(jìn)化的關(guān)鍵特征。通過Wen金魚和Egg金魚雜交后代F1背鰭性狀分離比，暗示了了背鰭特征受多個(gè)基因位點(diǎn)控制，可能具有母體遺傳效應(yīng)。對96只有背鰭和87只無背鰭金魚的全基因組關(guān)聯(lián)分析GWAS研究分析發(fā)現(xiàn)跨越13條染色體上的8.96 Mb區(qū)域上的378個(gè)基因與背鰭性狀相關(guān)（圖6），85.2% (322)個(gè)基因位于A亞基因組，大部分位于五條染色體上，包括ChrA09，ChrA07，ChrA22，ChrA16和ChrA05，比位于B亞基因組上的背鰭相關(guān)基因的數(shù)量高得多，這表明背鰭相關(guān)基因不對稱的亞基因組分布，GO和KEGG分析表明，該性狀的候選基因可能參與了“細(xì)胞表面受體信號傳導(dǎo)”途徑，“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”，“跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”，“骨骼系統(tǒng)發(fā)育”和“初級代謝過程和器官氮化合物代謝過程”。進(jìn)一步通過與斑馬魚直系同源基因基因敲除品系表現(xiàn)出的突變表型分析發(fā)現(xiàn)，二氫葉酸還原酶（dhfr）可能在某種程度上與魚鰭是否存在相關(guān)，該基因可能在金魚人工選擇過程中，在有無背鰭這一表型中發(fā)揮重要作用。
圖6 金魚背鰭相關(guān)性狀GWAS關(guān)聯(lián)分析
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