2020年11月03日，北京百邁客生物科技有限公司合作項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量的金魚基因組 (2n=100)的同時，通過比較基因組學研究解析了古代雜交事件產生了兩個亞基因組；進一步通過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遺傳變異信息，其中包括區(qū)分傳統(tǒng)金魚進化的特征。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和馴化研究具前景的模型。
研究結果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，進而形成這樣一個假說：鲃亞科（Barbinae）可能是二倍體金魚譜系的祖先種，研究中進一步進行了6個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行基因組組裝。金魚染色體可清晰分為兩個亞基因組，通過reads多序列比對，發(fā)現(xiàn)金魚來自兩個祖先世系，其中一個是鲃亞科共有的，進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個核基因的系統(tǒng)進化分析，即結締組織生長因子like基因在二倍體金魚中僅有1個拷貝，但在四倍體金魚中含有2個拷貝，結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）。研究結果表明，A亞基因組可能起源于鲃亞科內的祖先物種，而B亞基因組的二倍體祖先可能已經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個基因。同時通過金魚10個不同組織的RNA-seq測序，探索了A和B兩個亞基因組之間的差異表達，發(fā)現(xiàn)同源基因在兩個亞基因組之間表現(xiàn)出不對稱的表達模式，而全基因組范圍內的表達水平總體上更偏好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
研究結果3：金魚基因組進化研究
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。這些大的片段倒位可能是異源四倍體形成的原因之一。進一步發(fā)現(xiàn)，金魚兩個亞基因組（Ks= ~0.17）與鯉魚（Ks= ~0.21）之間的分歧時間（13.28-16.67 MYA），早于金魚和鯉魚之間的分歧時間（7.81?8.77 MYA）（Ks =?0.10）（圖3 A）。此外，文中假設全基因組復制（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，暗示這兩個種都是四倍體。同時，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制事件（A）和系統(tǒng)進化分析（B）
研究結果4：金魚群體進化研究
通過201個個體（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)育樹構建發(fā)現(xiàn)普通金魚與鯽魚親緣關系最近（圖4 A-C），進一步結合系統(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一步分為不同的亞群。
圖4 金魚群體結構分析
LD及群體選擇分析支持了前期的假設，即金魚馴化過程中種群遺傳瓶頸效應的存在和強烈的人工選擇（圖5 A）。進一步的遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，由于人工選擇的結果，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個金魚個體和16個野生鯽魚個體的群體選擇分析發(fā)現(xiàn)了50個受選擇區(qū)域（25.2 Mb區(qū)間內，共計946個基因）（圖5 C），940個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/傳染病，能量代謝和對激素的反應有關；進一步通過以上201個個體的選擇性清除分析發(fā)現(xiàn)393個基因受選擇，其中21個代表性候選基因中，有13個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的突變表型（pcdh15a和agrp），眼睛大小減?。?em>ndufs5），細胞遷移（nav3和zap70）或腦大小減小（aurka）。
圖5 金魚群體遺傳多樣性和群體選擇分析
研究結果5：金魚表型性狀GWAS關聯(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金魚進化的關鍵特征。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基因位點控制，可能具有母體遺傳效應。對96只有背鰭和87只無背鰭金魚的全基因組關聯(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個基因與背鰭性狀相關（圖6），85.2% (322)個基因位于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基因的數(shù)量高得多，這表明背鰭相關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“細胞表面受體信號傳導”途徑，“信號轉導”，“跨膜轉運”，“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，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 金魚背鰭相關性狀GWAS關聯(lián)分析
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