Nature子刊 | Scientific Data发表宝石鲈基因组染色体图谱

2022-08-16 584CNGBdb

近日,华大海洋与广东海洋大学合作,在国际学术刊物Nature子刊Scientific Data上发表宝石鲈基因组研究成果:以宝石鲈为实验材料,结合基因测序以及转录组数据,构建了24对染色体组成的全基因组图谱,注释到26,905个基因,鉴定出宝石鲈不饱和脂肪酸重要合成基因,并预测多种重要鲈鱼的共同祖先染色体情况。

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本研究中基因组组装数据和注释文件已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为:CNP0002889

研究背景

宝石鲈(Scortum barcoo)为鲈形目、鯻科、革鯻属经济鱼类,原产于澳大利亚,于2001年引入中国。由于其外形美观、肉质鲜嫩且没有肌间小刺、生长速度快、不易染病,已逐渐成为我国重要的水产养殖物种之一。

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宝石鲈富含不饱和脂肪酸。ω-3多不饱和脂肪酸(PUFA)的两种代表性类型二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA),都是人体生长发育的必需脂肪酸。然而,人类自身无法合成这些ω-3多不饱和脂肪酸,只能从鱼油等食物中获得。

多数鱼类可利用脂肪酸前体生物合成各种ω-3多不饱和脂肪酸,但能力差异极大。这一生物合成过程主要由两个关键酶控制,即脂肪酸去饱和酶(由fads基因编码)和长链脂肪酸延长酶(由elovl基因编码)。

哺乳动物有一系列fads基因(fads1、fads2和fads3),而大多数硬骨鱼类只有一个fads2。fads2编码的脂肪酸去饱和酶FADS2,可通过形成脂肪酰基链中碳原子之间的双键使脂肪酸去饱和。FADS2具有不同的去饱和位置,从而可分为Δ4去饱和酶、Δ5去饱和酶和Δ6去饱和酶。此外,有研究表明部分FADS2具有Δ8去饱和酶功能。在哺乳动物中总共报告了七个elovl基因家族成员(elovl1~7),其中elovl1、elovl3、elovl6和elovl7编码延长酶以催化饱和与单不饱和脂肪酸的延长,而elovl2、elolv4和elovl5编码蛋白以延长多不饱和脂肪酸。鱼类elovl2、elovl4和elovl5的功能与哺乳动物的类似。近来,有研究证实长鳍篮子鱼中存在两种elovl8(分为elovl8a和elovl8b;在哺乳动物中未发现),并且elovl8b在多不饱和脂肪酸的延伸中发挥重要作用。由于ω-3多不饱和脂肪酸含量高,宝石鲈可以作为详细探索ω-3多不饱和脂肪酸生物合成途径的良好模型。

研究内容

本研究采用基因测序技术,为后续的基因组组装、注释和染色体构建提供高质量的测序数据。此外,该研究不仅将几个与ω-3多不饱和脂肪酸生物合成相关的关键功能基因定位到染色体上,还预测宝石鲈中ω-3多不饱和脂肪酸含量高的一些可能机制。

研究团队基于单拷贝基因建立了宝石鲈与7种代表性硬骨鱼类的系统发育进化位置,并在四种已测序的鲈鱼(宝石鲈、欧洲鲈、大口黑鲈和中国鲈鱼)中推断出具有常见染色体易位的鲈鱼祖先核型。作为一种重要的遗传资源,宝石鲈基因组组装图谱将支撑对这个经济鱼类进行深入的生物学研究和分子育种研发。

研究团队还组装出长度为657.7Mb的宝石鲈基因组,并构建24条染色体组成的单体型(图3);组装contig N50为4.5Mb,scaffold N50 达28.6Mb,BUSCO完整度评价为97.9%。宝石鲈基因组中共注释出26,905个基因,基因平均长度为15,168bp;基因组的19.7%为重复序列。

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进化分析发现,宝石鲈和欧洲鲈聚为一个分支。这两种鲈鱼之间的密切关系与传统的形态分类相一致,它们的分化时间估计在7,170万年前。

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祖先染色体分析发现,宝石鲈、欧洲鲈、大口黑鲈和中国鲈鱼的大部分祖先染色体核型非常保守。与祖先染色体相比,这些鲈鱼的测序染色体中存在一种常见的染色体易位。由于本次组装的宝石鲈基因组序列比其它鲈鱼的基因组更完整,因此可作为研究鲈形目鱼类进化的最佳参考基因组。

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研究团队在宝石鲈染色体图谱中定位了ω-3多不饱和脂肪酸生物合成的核心酶基因。同大多数硬骨鱼类相似,宝石鲈存在elovl2缺失,有一个fads2和一个elovl5拷贝(分别位于6号和14号染色体)。两个elovl4基因(elovl4a和elovl4b)分别定位于16和13号染色体上;然而,多数报道的其它鱼类通常只有一个elovl4基因。此外,宝石鲈的Elovl4a蛋白与革胡子鲶的序列相似性(82.5%)高于斑马鱼(79.7%),这意味着与革胡子鲶类似的宝石鲈可能具有有效合成ω-3多不饱和脂肪酸的能力,从而实现在肌肉中积累。

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广东海洋大学水产学院鲁义善教授、深圳市华大海洋研究院博士生李蕊晗为论文并列第一作者;鲁教授、华大海洋研究院副院长卞超副研究员和院长石琼院士为共同通讯作者。

参考文献:Lu, Y., Li, R., Xia, L. et al. A chromosome-level genome assembly of the jade perch (Scortum barcoo). Sci Data 9, 408 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01523-y信息来源:“华大海洋”公众号

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