9月10日，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所邵長(zhǎng)偉研究員團(tuán)隊(duì)在魚類基因組演化及輻射進(jìn)化領(lǐng)域取得重要突破，研究成果以“Patterns and processes of genomic evolution inferred from the ten smallest vertebrate genomes”為題，發(fā)表在國(guó)際著名綜合性期刊《Advanced Science》。該研究通過系統(tǒng)解析東方鲀屬（Takifugu）基因組結(jié)構(gòu)與譜系特征，揭示了最小脊椎動(dòng)物基因組形成、演化及適應(yīng)性創(chuàng)新的耦合規(guī)律，為理解物種爆發(fā)式成種的遺傳機(jī)制提供了新視角，同時(shí)也為生物合成育種“底盤魚”的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)框架。

研究概覽

物種形成機(jī)制是進(jìn)化生物學(xué)的核心問題，但其遺傳基礎(chǔ)長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議，因?yàn)榛蚪M分化格局常受重組率異質(zhì)性、背景選擇和持續(xù)基因交流等因素干擾，從而掩蓋真正驅(qū)動(dòng)分化的遺傳位點(diǎn)。解決這一難題需要在基因組解析難度低且能代表快速分化過程的體系中開展研究。東方鲀屬因其基因組高度緊湊（約為人類基因組的1/10，為迄今報(bào)道的最小脊椎動(dòng)物基因組），不僅降低了精細(xì)解析的復(fù)雜性，還在不足500萬年內(nèi)輻射出約25個(gè)物種，并演化出膨脹防御和毒素抗性等獨(dú)特表型，因此成為探討基因組結(jié)構(gòu)與快速分化關(guān)系的理想模型。然而，以往研究多集中于單個(gè)物種，且依賴線粒體片段或低覆蓋度基因組，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)不一致，難以在屬水平解析形態(tài)分化的遺傳基礎(chǔ)。

為突破這些局限，本研究整合10種東方鲀?nèi)旧w級(jí)基因組、表觀基因組、群體重測(cè)序及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了迄今最穩(wěn)健的系統(tǒng)發(fā)育框架，揭示其網(wǎng)狀進(jìn)化模式，并表明轉(zhuǎn)座元件收縮塑造了基因組小型化，而染色體倒位與色素基因的正選擇共同驅(qū)動(dòng)爆發(fā)式物種形成，從而為理解基因組演化與表型創(chuàng)新的耦合提供了新范式。

研究團(tuán)隊(duì)通過74種脊椎動(dòng)物比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，河鲀基因組內(nèi)含子長(zhǎng)度為脊椎動(dòng)物中最短，而外顯子長(zhǎng)度與其他物種無顯著差異。進(jìn)一步分析顯示，河鲀基因組的保守元件數(shù)量與其他魚類相當(dāng)，但轉(zhuǎn)座元件顯著收縮。對(duì)轉(zhuǎn)座元件相關(guān)功能域的統(tǒng)計(jì)表明，河鲀中轉(zhuǎn)座元件相關(guān)酶的結(jié)構(gòu)域數(shù)量顯著少于其他物種，提示轉(zhuǎn)座元件關(guān)鍵酶的收縮是河鲀基因組小型化的主要驅(qū)動(dòng)因素。這一基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)揭示了基因組小型化如何為后續(xù)快速演化提供結(jié)構(gòu)約束，為理解河鲀輻射進(jìn)化的遺傳背景奠定了基礎(chǔ)。

河鲀基因組小型化的遺傳基礎(chǔ)

在明確基因組小型化機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步探討了東方鲀屬的整體演化動(dòng)態(tài)。通過單拷貝基因、非編碼保守元件及極端保守元件等多種分子證據(jù)，構(gòu)建了東方鲀屬的系統(tǒng)發(fā)育框架，證實(shí)其演化關(guān)系呈現(xiàn)典型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而非傳統(tǒng)二分式樹形拓?fù)洹Ｈ后w遺傳學(xué)分析進(jìn)一步揭示，9種東方鲀?nèi)后w的遺傳背景僅聚為6個(gè)離散譜系，除暗紋東方鲀與紅鰭東方鲀外，其余姊妹支遺傳分化極小。綜合群體遺傳中F_ST、π、Dxy及RND等參數(shù)分析表明，橫紋東方鲀與星點(diǎn)東方鲀的分化過程受基因滲入主導(dǎo)，廣泛的基因流導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)混雜；而其余姊妹支表現(xiàn)出顯著的連鎖選擇信號(hào)，適應(yīng)性位點(diǎn)的持續(xù)清掃推動(dòng)了形態(tài)分化。Tajima’s D等指標(biāo)在分化區(qū)域與其他基因組背景區(qū)域的顯著差異，進(jìn)一步支持這些區(qū)域經(jīng)歷了長(zhǎng)期正選擇。這表明東方鲀屬的輻射演化是由“基因滲入-連鎖選擇”動(dòng)態(tài)平衡驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)狀過程，該遞進(jìn)分析不僅連接了基因組結(jié)構(gòu)與演化歷史的橋梁，還為揭示具體表型分化機(jī)制提供了演化框架。

東方鲀屬?gòu)?fù)雜的網(wǎng)狀演化歷史與進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力

基于網(wǎng)狀演化歷史的動(dòng)態(tài)框架，研究深入剖析了驅(qū)動(dòng)河鲀物種分化的具體分子機(jī)制，特別是體色作為適應(yīng)性輻射中的關(guān)鍵表型。體色常作為物種識(shí)別信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)生殖隔離。在此背景下，研究發(fā)現(xiàn)，暗紋東方鲀基因組分化區(qū)域內(nèi)的色素通路基因pax3和tyr受到強(qiáng)烈正選擇，pax3的物種特異結(jié)合位點(diǎn)顯著影響mitf轉(zhuǎn)錄活性，從而通過mitf調(diào)控tyr等黑色素合成關(guān)鍵酶的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控黑色素在皮膚中的空間分布。結(jié)構(gòu)變異分析顯示，暗紋東方鲀與紅鰭東方鲀2號(hào)染色體上存在一處745kb倒位變異，該倒位重組染色質(zhì)三維構(gòu)象，破壞色素分布基因gna11b鄰近的增強(qiáng)子—啟動(dòng)子互作，導(dǎo)致gna11b表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)黑素細(xì)胞增殖及色素覆蓋度提升。此外，星點(diǎn)東方鲀的類胡蘿卜素代謝基因bco2及黃鰭東方鲀的受體酪氨酸激酶基因erb-b3呈現(xiàn)物種特異正選擇，提示膚色斑紋多樣化由多基因平行趨異驅(qū)動(dòng)。點(diǎn)突變與結(jié)構(gòu)變異協(xié)同重塑色素沉著網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成河鲀表型快速演化的分子基礎(chǔ)，這一發(fā)現(xiàn)將基因組基礎(chǔ)、演化過程與表型創(chuàng)新有機(jī)整合，凸顯了多層次機(jī)制在物種形成中的協(xié)同作用。

東方鲀屬河鲀皮膚顏色多樣化的遺傳基礎(chǔ)

本研究通過構(gòu)建河鲀屬系統(tǒng)發(fā)育框架，揭示了轉(zhuǎn)座元件關(guān)鍵酶收縮是最小脊椎動(dòng)物基因組形成與演化的遺傳基礎(chǔ)，闡明了種間雜交、連鎖選擇、結(jié)構(gòu)變異以及表型演化協(xié)同驅(qū)動(dòng)河鲀屬物種分化與形成的遺傳機(jī)制，為理解基因組演化、物種形成及遺傳多樣性維持提供了理論依據(jù)。同時(shí)，基于最小脊椎動(dòng)物基因組，為構(gòu)建非冗余且復(fù)合多元經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)基因的生物合成育種“底盤魚”提供了基礎(chǔ)框架。

黃海所劉凱強(qiáng)、王倩為論文共同第一作者，黃海所邵長(zhǎng)偉研究員、香港城市大學(xué)張繼林教授、維爾茨堡大學(xué)Manfred Schartl教授為論文共同通訊作者。本研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃、山東省泰山學(xué)者特聘專家、國(guó)家基金及中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。