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科學家揭示脊椎動物異源多倍體亞基因組演化的動態歷史

2020-06-01 昆明動物研究所
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  多倍化現象在脊椎動物中極為罕見;多倍體脊椎動物在多倍化發生和其后的二倍化進程中可能經歷基因組休克效應。但對于相關演化遺傳機制是什么、機制是否相同等問題,存在不同假說和許多尚待澄清的問題(PNAS 2016及其他文獻)。在中國科學院院士、中國科學院昆明動物研究所研究員張亞平的領導下,云南大學省部共建云南生物資源保護與利用國家重點實驗室教授羅靜,昆明動物所研究員呂雪梅,中國工程院院士、湖南師范大學教授劉少軍,南京農業大學教授陳增建,中國農業科學院農業基因組研究所研究員阮玨和廈門大學教授徐鵬等組成的團隊聯合攻關,以鯉亞科魚類基因組為研究對象,對脊椎動物異源多倍體基因組的亞基因組演化問題進行了深入的研究。

  由于鯉亞科魚類在演化歷史上可能經歷了四輪之多的全基因組加倍事件,染色體數目達到約100條之多,且其第四輪全基因組加倍事件是伴隨一次遠緣雜交事件發生(Ma et al.2014.Curr Mol Med),而這一類群的二倍體直系祖先均已滅絕,這為鯉亞科魚類基因組的測序、組裝和亞基因組鑒別引入巨大的難度(Xu et al. 2015.Nat Genet; Xu et al. 2019.Nat Commun; Yang et al. 2016. BMC Biol; Chen et al. 2019.Sci Adv)。該團隊通過利用長讀長三代測序、Bionano光學圖譜和染色質構象捕獲測序技術,對紅鯽(goldfish, Carassius auratus red var.)基因組進行從頭組裝,獲得50條染色體的單倍型參考基因組,完整性和準確性均高于近期發表的金魚、鯉魚基因組。同時基于鯉亞科、鲃亞科、裂腹魚亞科代表物種的線粒體基因組和全基因組標記的系統發育樹構建和比較,首次成功對紅鯽兩個亞基因組的母系和父系親本來源進行了清晰的劃分。

  通過重建鯉亞科魚類的多倍化演化歷史,發現鯽魚、鯉魚和金線鲃共同起源于13.8~15.1百萬年前的一次古異源多倍化事件。比較基因組學和多組織、多胚胎發育時期轉錄組和DNA甲基化的比較分析結果表明,紅鯽與異源多倍體植物和爪蟾基因組中非對稱的演化模式呈現明顯不同:(1)紅鯽的父系和母系來源的亞基因組均沒有顯著的大規模非對稱性丟失和演化速率偏向性,兩個亞基因組在整個二倍化進程中一直經歷交替的非對稱性功能丟失;(2)雖然兩個亞基因組的同源基因對總體呈現平衡表達,有趣的是,兩個基因拷貝隨胚胎發育時間的推進發生表達優勢的切換;(3)同源基因拷貝的表達與DNA甲基化的變化呈負相關,但甲基化并不能解釋同源基因對在胚胎發育進程中的表達優勢切換模式,這提示可能存在更復雜的調控機制決定同源基因對的表達。以上結果說明異源多倍體物種的演化策略具有多樣性。在多倍化之后的二倍化進程中,鯉亞科魚類具有其獨特的演化策略,以平衡亞基因組的穩定和多樣化。這為研究異源多倍體脊椎動物的基因組演化和功能提供了新的思路。

  該工作以From asymmetrical to balanced genomic diversification during rediploidization: subgenomic evolution in allotetraploid fish為題,發表在期刊Science Advances,羅靜、云南大學博士后柴靜、中科院北京基因組研究所博士生文艷玲、湖南師范大學博士陶敏、云南大學博士生林國亮為文章的共同第一作者,張亞平、呂雪梅、劉少軍、陳增建、阮玨和徐鵬為文章的共同通訊作者。

  該研究得到國家自然科學基金委、云南省科學技術廳、農業部現代農業體系建設專項資金、湖南省科技重大專項課題、第二次青藏高原綜合科學考察研究、中科院“西部之光西部引進人才”項目、博士后創新人才支持計劃、中國博士后科學基金的支持。

  文章鏈接

  :紅鯽基因組組裝質量比較、共線性及鯉亞科魚類多倍化演化歷史重建。(A)紅鯽基因組組裝質量;(B) 紅鯽與鯉魚的亞基因組共線性分析結果;(C) 基于系統發育關系重建鯉亞科基因組的異源多倍化演化歷史;(D) 基于單拷貝直系同源基因構建的物種樹。

打印 責任編輯:葉瑞優

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