福瑞鲤2号 受访者供图在脊椎动物里，只有很少的物种是多倍化。生活中常见的“四大家鱼”——青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼均是二倍体，而同属鲤科的鲤鱼则是异源四倍体，其广泛分布于全球所需的优异适应能力和丰富的表型，究竟从何而来？
另外，多倍体脊椎动物是否存在趋同进化，仍未被发现。
9月30日，在发表于《自然—遗传学》的一项研究中，中国水产科学研究院生物技术研究中心李炯棠研究员团队与该院黑龙江水产研究所、淡水渔业研究中心等单位合作，首次在多倍体脊椎动物中观察到亚基因组趋同进化现象，系统地发现了十种表达趋异策略，解析了松浦镜鲤、黄河鲤和福瑞鲤2号的基因组结构变异及其遗传效应。
这些成果为解释多倍体适应性进化机制提供新见解，也为鲤鱼重要性状改良提供了新的理论依据和资源。
组装完成二倍体祖先种和近缘种基因组
与植物相比，脊椎动物的多倍体事件比较稀少，仅见于鲤科、鲟目、鲑科、爪蟾中。鲤鱼在全球都有分布和养殖。然而，人们对鲤鱼现代育成品种的基因组信息仍缺乏深入了解，鲤鱼的身上还有太多未解之谜。
之前，已有研究完成了鲤鱼全基因组序列图谱绘制。“这次，我们进一步完善了鲤鱼基因组图谱，相比以往鲤基因组图谱，重要质量参数显著提升。”论文通讯作者和第一作者李炯棠在接受《中国科学报》采访时表示。
首先，鲤鱼基因组完整性、连续性显著提高，体现在gap数量急速减少，已从57939~479190下降到13694。其次，基因组锚定率从875Mb~1.3G提升到1.53G，染色体也更加完整。
与鲤鱼同为异源四倍体的鲫鱼也是团队的研究重点，这篇论文还完善了鲫鱼基因注释，预测了48857个基因，相比之前的鲫鱼基因组注释结果，基因注释的完整性从92.3%提升到97.8%，缺失率从3.3%下降到0.8%。
图中分别为：①虎皮鱼②黄河鲤③似刺鳊鮈④松浦镜鲤。 受访者供图“我们研究发现，相比以往所比照的斑马鱼和草鱼，似刺鳊鮈是更接近鲤、鲫鱼的A和B两套亚基因组的共同近缘物种。虎皮鱼在内的鲃亚科是鲤、鲫鱼的B亚基因组祖先种。”论文共同第一作者、中国水产科学研究院助理研究员王琦在接受《中国科学报》采访时介绍。
为了更好地开展后续研究，团队首次组装了近缘种似刺鳊鮈和祖先种虎皮鱼的高质量基因组，基因组锚定率为88.6%和86%，预测了24284和21943个基因，缺失率仅为2%和3.6%。
“高质量连续的基因组，对于进化研究的重要前提。正是因为这次基因组的更新，为我们后续研究奠定了坚实的基础。”王琦说。
打破传统认知的惊奇发现
传统观点认为基因组多倍化后基因组容易发生DNA片段快速丢失、假基因化、亚基因组融合等事件，使得基因组恢复到二倍化水平，并造成亚基因组间存在结构和序列差异，这被称为趋异进化。但亚基因组的趋同进化现象，一直未被发现。
“利用似刺鳊鮈和虎皮鱼基因组为参照系，我们发现A和B两套亚基因组间在两个祖先种杂交后趋向更加相似——‘趋同’，而不是趋向差异——‘趋异’。”这些结果完全不同于传统观点的趋异情况，让研究团队感到非常新奇，这也是首次在多倍体脊椎动物发现亚基因组趋同进化现象。
鲤、鲫鱼的A和B两套亚基因组越来越趋向一致，那么它们是如何在进化中稳定共存的？在不同时空事件中又是如何协调发挥功能的？
“关于它们之间如何分工合作，存在着十种表达趋异策略，以更加灵活地协调时空表达调控并促进两套染色体稳定共存。”李炯棠说。
十种表达趋异策略包括可变剪切的灵活性、亚基因组间的反式剪接事件广泛存在、表达水平下降和剂量补偿效应、共表达模式、同源基因间的表达相关性显著上升、表达主效基因、强烈的负选择压抑制同源基因功能分化、动态的功能分化、差异表达平衡、差异表达基因各行其责等。
“其中，有趣的是，相比B亚基因组和祖先种虎皮鱼间同源基因表达相关性，虽然A和B亚基因组来自不同祖先种，但是A和B同源基因的表达相关性显著提升。”李炯棠表示，“而且，A和B同源基因的表达还存在主次之分。”
“在表达上如此多样化的趋异特点，使得亚基因组的动态平衡能够得以维持，才能形成稳定遗传的新物种。”王琦说。
“这些策略让表达更具可塑性和耐受性。”李炯棠解释道，比如在一个时空里，两个基因功能是分化的；但是到了另外一个时空或者在抗病抗逆中反而不分化，变成协同状态。
李炯棠指出，异源四倍体遗传信息加倍后，通过多种表达趋异策略，可以更加灵活地发挥彼此功能，让鲤鱼拥有强大适应能力，更加适应外界环境变化。
为遗传改良提供靶向目标
鲤鱼是我国最具代表性的大宗淡水养殖鱼类之一，年产量超过289万吨，有超过30种的地理品种和选育种。通过全国水产原种和良种审定委员会审定的鲤鱼新品种达20个。
自然选择和人工选择促成鲤鱼的表型极具多样性。然而，这些表型多样性的遗传结构变异，仍不清晰。
福瑞鲤2号 受访者供图为了摸清这一点，团队选择了中国水产科学研究院淡水渔业研究中心自主选育的新品种——福瑞鲤2号为研究材料。“福瑞鲤2号是以建鲤、野生黄河鲤和黑龙江鲤为原始亲本，经综合选育方法而培育出来的国审水产新品种，具有生长快和成活率高等优点，是稻渔综合种养的优势品种。”论文共同作者、淡水渔业研究中心研究员董在杰告诉《中国科学报》。
为探明基因组结构变异对福瑞鲤2号性状的遗传效应，他们对松浦镜鲤、黄河鲤和福瑞鲤2号共93份种质资源进行了重测序，发现三个品种的全基因组有3.4%区域发生了结构变异，共获得了57049657个变异位点。
李炯棠介绍，遗传发育树表明，三个品种的鲤鱼在遗传上已经出现分化：松浦镜鲤单独构成一支，而福瑞鲤2号、黄河鲤遗传关系更近，共同构成了另一支系。此外，系统发育树显示，选育福瑞鲤2号与亲本黄河鲤在遗传亲缘关系上，已独立分开，显示较为强烈的选择压。
团队还在福瑞鲤2号中鉴定到一批受到强烈正选择的基因，包括热休克蛋白结合、蛋白翻译和新陈代谢调控基因。作为一个抗应激相关的基因家族，热休克蛋白基因在细胞及动物的成活率上发挥重要的作用，这就是福瑞鲤2号不管是在北方寒冷地区，还是在稻田浅水环境等逆境条件下都具有较高成活率的原因。
“这篇论文为今后开展鲤鱼分子育种打下了坚实的基础。后续可以提高人工选育鲤鱼的生长速度、抗寒能力和成活率的遗传效应，为鲤鱼的生产实践和遗传改良提供靶向目标。”董在杰表示。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-021-00933-9
