全基因組測(cè)序：八倍體中華鱘億年進(jìn)化密碼首次解鎖

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

鱘魚(yú)類(lèi)和匙吻鱘類(lèi)都屬于鱘形目，是最古老的魚(yú)類(lèi)之一，被稱(chēng)為水中“活化石”。可惜，它們熬死了那些大家伙，卻因?yàn)橐环N叫魚(yú)子醬的玩意被人類(lèi)“吃”上了絕路。

如今，大多數(shù)鱘形目魚(yú)類(lèi)正在受到生存威脅甚至瀕臨滅絕。比如我們的國(guó)寶——中華鱘。這里需要和大家說(shuō)明一下，中華鱘是國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，不可捕撈和食用，打個(gè)比方：如果中華鱘和大熊貓打架，大熊貓可能要被關(guān)起來(lái)。市場(chǎng)上的食用雜交鱘是通過(guò)其他鱘魚(yú)雜交產(chǎn)生的后代，最常見(jiàn)的是達(dá)氏鰉和史氏鱘雜交。再次給小伙伴們強(qiáng)調(diào)一下：中華鱘不可以吃！不可以吃！不可以吃！市場(chǎng)上販賣(mài)的是雜交鱘，不要被無(wú)良商家掛出來(lái)的標(biāo)牌誤導(dǎo)哦。

一、中華鱘全基因測(cè)序

要想更好地保護(hù)中華鱘，就得研究明白它是怎么來(lái)的，而這離不開(kāi)基因組信息做支撐。全基因組序列是生命的字典，為生命科學(xué)理論和技術(shù)研究提供底層數(shù)據(jù)支撐。

基因組測(cè)序組裝的難度隨著倍性的增加指數(shù)性增長(zhǎng)。相較于包含46條染色體的二倍體人類(lèi)基因組，多倍體的中華鱘基因組包含264條染色體，染色體數(shù)量是人類(lèi)的5-6倍，且大約一半的染色體是長(zhǎng)度小于20 Mb的微染色體。因此中華鱘全基因組測(cè)序、組裝和注釋的難度可想而知。

為了解讀中華鱘的生命字典，研究團(tuán)隊(duì)采用Illumina和PacBio測(cè)序平臺(tái)、高通量染色體構(gòu)象捕獲（Hi-C）測(cè)序技術(shù)，對(duì)雌核發(fā)育繁殖的雄性中華鱘DNA進(jìn)行了測(cè)序，成功獲得了高質(zhì)量的中華鱘染色體級(jí)基因組組裝。

這是迄今為止第一個(gè)全基因組測(cè)序的八倍體鱘魚(yú)基因組，也是迄今為止第一個(gè)全基因組測(cè)序的八倍體脊椎動(dòng)物基因組。通過(guò)基因組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了中華鱘的復(fù)雜倍性成分和倍性形成的歷史。

此外，研究人員通過(guò)結(jié)合中華鱘、小體鱘和匙吻鱘這三種具有代表性的鱘魚(yú)的全基因組數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估了全基因組加倍后延遲二倍化的影響，從全基因組的角度對(duì)中華鱘的進(jìn)化軌跡進(jìn)行了新的解析。

二、中華鱘倍性和同源性

核型分析顯示中華鱘有264條染色體，大約四倍于鱘形目共同二倍體祖先的60條染色體。因此，研究人員推測(cè)中華鱘為八倍體物種。

為了在基因組水平上進(jìn)一步探索中華鱘的倍性，研究人員對(duì)正常繁殖的中華鱘進(jìn)行測(cè)序。利用這些測(cè)序數(shù)據(jù)開(kāi)展全基因組簡(jiǎn)單序列重復(fù)（SSR）和單核苷酸多態(tài)性(SNP)分析。SSR分析結(jié)果顯示有SSR單個(gè)位點(diǎn)的最大等位基因數(shù)可達(dá)8個(gè)，意味著該物種有8條同源染色體。SNP位點(diǎn)的候選等位基因頻率和倍性分析顯示，中華鱘在SNP頻率曲線(xiàn)上呈現(xiàn)出四個(gè)峰，二倍于四倍體小體鱘的兩個(gè)峰。另外，中華鱘的1/8候選等位基因頻率位置檢測(cè)到第一個(gè)峰，該峰主要指向8n倍性，這表明中華鱘八個(gè)單倍體具有很高的相似性，揭示了其八倍體特征。

為了進(jìn)一步評(píng)估中華鱘的倍性組成，研究人員基于雜合k-mer（人為定義一段長(zhǎng)度為k個(gè)堿基的連續(xù)DNA片段）開(kāi)展倍性成分分析。結(jié)果顯示，中華鱘的倍性組成極其復(fù)雜，包含4種八價(jià)體k-mer、1種六價(jià)體k-mer、2種四價(jià)體k-mer和的1種二價(jià)體k-mer，占比分別是：41%、3%、52%以及4%。高比例的八價(jià)體k-mer表明中華鱘基因組具有典型的八倍體特征。

此外，研究人員將中華鱘的分析結(jié)果與4種代表性且研究透徹的四倍體物種——北極茴魚(yú)、小體鱘、紫花苜蓿和鯉魚(yú)——進(jìn)行了比較。

結(jié)果表明，與四倍體小體鱘相比，八倍體中華鱘可能經(jīng)歷了一輪額外的全基因組加倍，基因型發(fā)生重疊使觀察到的倍性結(jié)構(gòu)更加豐富。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)包括AAAAAAAB、AAAAAABB、AAAAABBB和AAAB在內(nèi)的同源多倍化特征比例在中華鱘中高達(dá)62%，意味著它是同源八倍體物種。

研究人員試圖鑒定出同源序列之間的特異性轉(zhuǎn)座元件，以確認(rèn)中華鱘是否存在異源多倍化過(guò)程，然而沒(méi)有觀察到顯著特異的轉(zhuǎn)座元件，這排除了異源八倍體的可能性。

這些結(jié)果表明，中華鱘經(jīng)歷了同源全基因組加倍，即表明它是一個(gè)同源八倍體物種。

三、中華鱘的進(jìn)化軌跡

全基因組加倍（或全基因組復(fù)制）在魚(yú)類(lèi)進(jìn)化中非常普遍，這也是多倍體形成的主要原因，那么中華鱘經(jīng)歷了怎么的加倍過(guò)程才成為同源八倍體物種？

先了解一些全基因組加倍，加倍大家都能理解，斗地主的時(shí)候不加倍輸20個(gè)豆，加倍輸40個(gè)豆。

全基因組加倍是指一個(gè)生物體的整個(gè)基因組中的所有基因在同一時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生復(fù)制，導(dǎo)致基因組大小加倍的現(xiàn)象。這是一種在進(jìn)化過(guò)程中可能發(fā)生的基因組演化事件，對(duì)于物種的遺傳多樣性和復(fù)雜性的增加具有重要意義。

鱘形目和硬骨魚(yú)都經(jīng)歷了至少3輪全基因組加倍。包括約6億年前發(fā)生的第一輪全基因組加倍（1R），以及發(fā)生在七鰓鰻和有頜脊椎動(dòng)物分化后，有頜脊椎動(dòng)物所特有的第二輪全基因組加倍（2R）。

隨后，硬骨魚(yú)經(jīng)歷了它們特異的第三輪全基因組加倍（Ts3R），而鱘形目則獨(dú)自經(jīng)歷了自己特異的第三輪全基因組加倍（As3R），該事件發(fā)生在大約2.1億年前。而中華鱘在約3500萬(wàn)年前，其祖先經(jīng)歷了額外的一輪特有的全基因組加倍（Ass4R），導(dǎo)致其同源八倍體形成。

鱘形目被認(rèn)為經(jīng)歷了延遲二倍化，即一個(gè)物種在經(jīng)歷全基因組加倍事件后，又經(jīng)過(guò)約數(shù)十萬(wàn)年、百萬(wàn)年或更長(zhǎng)的時(shí)間后，才進(jìn)行二倍化的方式。前一次加倍后的二倍化進(jìn)程還未完成，緊跟著又發(fā)生全基因組加倍，導(dǎo)致中華鱘產(chǎn)生復(fù)雜倍性。

你可以想象成中華鱘祖先基因組是2副撲克牌（二倍體），加倍就意味著又放入2副相同的撲克牌，二倍化就是把相同的挑出來(lái)重新變成2副牌，延遲二倍化是加倍后等一段時(shí)間再挑，等了一段時(shí)間開(kāi)始挑牌了，正挑著呢，這些牌又一張變兩張了，在此基礎(chǔ)上挑牌的進(jìn)程依然在進(jìn)行。在挑牌過(guò)程中可能有些牌破損了、斷裂了或被標(biāo)記了。因此，最后的牌變成了一個(gè)很復(fù)雜的組合。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一件有趣的事情。

眾所周知，全基因組加倍事件與劇烈的環(huán)境變化密切相關(guān)，如小行星撞擊和氧氣濃度、二氧化碳濃度或氣溫劇烈變化等。而地質(zhì)歷史中較大的小行星撞擊事件與本研究中的鱘形目特異性全基因組加倍（As3R）和中華鱘特異性全基因加倍（Ass4R）在發(fā)生時(shí)間上很好地吻合，我們猜想小行星撞擊引起的劇烈氣候和地質(zhì)變化可能通過(guò)影響中華鱘祖先的繁殖過(guò)程導(dǎo)致其兩輪全基因組加倍。

三、研究的意義

在這項(xiàng)研究中，我們的研究人員完成了第一個(gè)八倍體動(dòng)物的全基因組測(cè)序，揭示了中華鱘的倍性組成和全基因組加倍的進(jìn)化歷史。

中華鱘基因組的復(fù)雜化對(duì)其生存和繁衍既有積極的影響，也可能帶來(lái)挑戰(zhàn)。例如多倍體化通常會(huì)導(dǎo)致遺傳多樣性的增加，為物種提供更多的遺傳變異，有助于適應(yīng)不同的環(huán)境條件，提高生存率。就像長(zhǎng)頸鹿進(jìn)化出了長(zhǎng)脖子，人類(lèi)進(jìn)化出了靈巧的雙手和聰明的頭腦?？催^(guò)航海王的都知道，還有個(gè)家伙能做到二者兼具，他叫卡庫(kù)。

但與此同時(shí)，對(duì)于中華鱘這樣的瀕危物種，基因組的復(fù)雜化會(huì)增加保護(hù)工作的難度。同時(shí)，多倍體物種的繁殖可能需要特定的環(huán)境條件或配偶選擇。

如果這么說(shuō)不好理解你就想象一下，你需要買(mǎi)到丈母娘要求的特定條件下的房子，才能選擇與你老婆結(jié)婚生孩子。怎么樣，是不是對(duì)中華鱘的困境感同身受了？

這當(dāng)然會(huì)限制中華鱘人工繁殖和種群恢復(fù)的成功率。這些因素共同作用，決定了中華鱘在面對(duì)環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)壓力時(shí)的適應(yīng)能力和生存前景。而該研究成功完成的高質(zhì)量基因組資源將為鱘形目物種遺傳、進(jìn)化和保護(hù)研究提供有力的信息支撐，并為其它多倍體脊椎動(dòng)物基因組研究提供了重要參考。

好了，看到這兒，你應(yīng)該了解到中華鱘的全基因組測(cè)序組裝有多困難，研究團(tuán)隊(duì)相當(dāng)于在動(dòng)物基因組研究領(lǐng)域完成了一項(xiàng)龐大的“三峽工程”。

現(xiàn)在，很多人已經(jīng)理解到生物多樣性是地球生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵，對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境至關(guān)重要。但如何高效、準(zhǔn)確地保障生物多樣性，需要我們的研究人員去解開(kāi)一個(gè)個(gè)基因密碼。大自然進(jìn)化出千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)瑰麗多樣的物種，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)個(gè)等待去破解的黑箱。這項(xiàng)事業(yè)要做多久？我不確定，但我知道他們肯定不會(huì)放棄，不會(huì)停止。讓我們一起為從事基因研究的科研人員們加油吧！

附錄：實(shí)驗(yàn)倫理聲明

實(shí)驗(yàn)按照中華鱘研究所生物倫理和生物安全機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)的指導(dǎo)方針（批準(zhǔn)號(hào)ZHX-20131211）進(jìn)行。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：基因研究所

審核：趙序茅 蘭州大學(xué) 青年研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司