9月14日，中國(guó)工程院院士、湖南師范大學(xué)省部共建淡水魚類發(fā)育生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉少軍教授團(tuán)隊(duì)在《BMC生物學(xué)》（BMC Biology）上在線發(fā)表論文，揭示了人工異源四倍體魚的基因組。劉少軍為通訊作者，湖南師范大學(xué)副教授任力、高鑫博士、崔佳琳博士、張純教授和北京百邁客生物科技有限公司戴鶴為該文共同第一作者。

劉少軍院士在育種基地開展魚類育種研究。 湖南師范大學(xué)供圖

魚類有32000多種，是脊椎動(dòng)物中物種數(shù)目最多類群。鯉科為淡水魚類最大的一科，約有200多屬2000多種，多倍化事件對(duì)于鯉科魚類的物種分化和環(huán)境適應(yīng)具有重要意義，已有研究揭示鯉亞科鯽和鯉以及鲃亞科金線鲃共同起源于13.8~15.1百萬(wàn)年前的一次異源四倍化事件。

上世紀(jì)80年代，劉少軍的父親、已故中國(guó)工程院院士劉筠領(lǐng)銜科研團(tuán)隊(duì)，以二倍體紅鯽（Carassius auratus red var., 2n = 100）為母本、二倍體鯉（Cyprinus carpio L., 2n = 100）為父本，通過屬間遠(yuǎn)緣雜交研制出兩性可育的四倍體鯽鯉品系，目前該品系已培育到F₂₉代。異源四倍體鯽鯉品系的建立打破了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上的物種間生殖隔離，是國(guó)際上首次通過遠(yuǎn)緣雜交獲得的脊椎動(dòng)物四倍體品系。

劉筠院士團(tuán)隊(duì)利用該四倍體魚資源研制了優(yōu)質(zhì)三倍體鯽魚（湘云鯽）和三倍體鯉魚（湘云鯉），在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。劉少軍不僅作為主要研究人員之一積極參與了前期的研究工作，而且還在后續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)該異源四倍體魚品系進(jìn)行了系統(tǒng)的維系和遺傳改良，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一系列新型可育二倍體和四倍體魚品系。

遠(yuǎn)緣雜交形成可育品系過程中基因組結(jié)構(gòu)特性和基因表達(dá)特性是很值得系統(tǒng)研究的內(nèi)容。對(duì)人工創(chuàng)制的異源四倍體魚的基因組等生物學(xué)特性進(jìn)行研究，在魚類育種及探索魚類演化規(guī)律等方面具有重要意義。

紅鯽和鯉作為古老的異源四倍體，其染色體數(shù)目相比同屬于鯉科魚類的斑馬魚（2n=50）發(fā)生了加倍（2n=100），這是由于額外發(fā)生了一輪異源四倍化事件，而新生的異源四倍體鯽鯉染色體數(shù)目為200。該研究利用PacBio RS II測(cè)序技術(shù)長(zhǎng)度長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合基因組單分子光學(xué)圖譜和高通量染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)（HI-C），構(gòu)建了高質(zhì)量的異源四倍體鯽鯉基因組，其基因組組裝大小為2.95Gb，BUSCO評(píng)估基因完整度約96.4%。

兩輪額外的異源多倍化事件促使異源四倍體鯽鯉品系形成。 受訪團(tuán)隊(duì)供圖

研究人員對(duì)異源四倍體鯽鯉F₂₂代個(gè)體開展全基因組de novo測(cè)序、組裝和注釋后，對(duì)其與原始親本紅鯽和鯉開展了染色體共線性和比較基因組學(xué)分析，研究結(jié)果表明該個(gè)體基因組中包含紅鯽和鯉的染色體組；結(jié)合熒光原位雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步確證該異源四倍體個(gè)體中200條染色體一半來(lái)自于紅鯽一半來(lái)自于鯉，未發(fā)現(xiàn)有染色體丟失現(xiàn)象。

此外，研究者發(fā)現(xiàn)紅鯽和鯉來(lái)源的同源染色體間存在重組交換現(xiàn)象。為深入探究這一現(xiàn)象，該研究挑選了雜交品系中F₁（二倍體）、F₂₂和F₂₄（四倍體）代中多個(gè)個(gè)體開展基因組重測(cè)序，通過體細(xì)胞和生殖細(xì)胞間基因重組的分布和數(shù)目差異分析，推測(cè)DNA修復(fù)和減數(shù)分裂重組等機(jī)制在異源四倍體鯽鯉品系形成過程中共同發(fā)揮作用。

非均等同源重組在異源四倍體鯽鯉中的鑒定。 受訪團(tuán)隊(duì)供圖

為探索新生異源四倍體魚品系形成過程中的表觀遺傳變異和基因表達(dá)譜變化，該研究針對(duì)親本紅鯽和鯉、F₁和F₂₄代的胚胎發(fā)育過程，從DNA甲基化修飾和基因表達(dá)水平開展了多角度的比較研究，發(fā)現(xiàn)雜交個(gè)體中紅鯽和鯉來(lái)源基因在表達(dá)和DNA甲基化層面存在多種變化特征，其中紅鯽和鯉來(lái)源的同源基因的表達(dá)伴隨異源四倍體鯽鯉品系形成發(fā)生對(duì)稱性變化。

據(jù)介紹，異源四倍體鯽鯉基因組結(jié)構(gòu)及其特性的揭示為解析該品系的遺傳規(guī)律奠定了重要基礎(chǔ)，為現(xiàn)生脊椎動(dòng)物異源四倍化起源提供了重要啟示，也為后續(xù)進(jìn)一步揭示通過遠(yuǎn)緣雜交形成的其它可育品系的遺傳特性提供了重要的參考。

湖南師范大學(xué)與北京百邁客生物科技有限公司等單位合作完成該論文，相關(guān)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)論文信息: https://doi.org/10.1186/s12915-022-01401-4

來(lái)源：《BMC生物學(xué)》