中國研究團隊成功揭示了暹羅鬥魚表型多樣性的遺傳機制

2022年09月25日16:31:28 科學 1930

色彩斑斕的暹羅鬥魚

暹羅鬥魚易於繁殖和養殖，並且由於具有高度的種內變異性和大量表徵表型，為探索脊椎動物行為和形態的遺傳基礎提供了有用的資源。它還展示了一個人類的直接和間接選擇如何塑造了一個馴化的物種的典型例子。

近日，南昌大學生命科學學院洪一江教授團隊報告了雌性雙歧桿菌的高效染色體級基因組組裝，對來自暹羅鬥魚複合體中其他六個物種的727個馴化個體和59個野生個體的重測序數據。研究人員研究了品種之間的進化關係和起源，並使用關聯映射來識別許多不同特徵的遺傳基礎，包括SD，鰭形態，着色，體型和侵略性以及其他行為。

暹羅鬥魚的基因組組裝、注釋和比較分析

研究人員使用多方面的測序和組裝工作流程生成了貝塔魚的高質量染色體級組裝，包括PacBio讀數，Illumina讀數，Hi-C讀數，10x基因組學讀數和BioNano光學映射。最終組裝的基因組為4.5129億個鹼基對，其中連續體和支架N50分別達到4.07和19.63 Mb。共有93.6%的支架被放置在21條染色體上，這與之前報道的染色體核型一致。

該組件包含 119 Mb 的重複序列和25，104個注釋的結構基因，其中22，788個（90.77%）是功能注釋的。核心真核基因圖譜方法分析證實，248個（96.4%）完整核心真核基因中存在239個，基準通用單拷貝直系同源物評估顯示，2586個（97.5%）單拷貝同源基因中有2522個被注釋，表明基因組和基因注釋的完整性高。

研究人員使用由暹羅鬥魚和其他13個硬骨質共享的465個單拷貝同源物構建了一個系統發育，並表明暹羅鬥魚在大約1.096億年前與其他鱸形目魚分化。高質量的基因組組裝加上全面的基因組注釋，是對暹羅鬥魚研究現有參考基因組資源的重要補充和改進。

（A）硬骨魚的系統發育（B）串聯全基因組單核苷酸多態性（C）暹羅鬥魚的PCA。（D）對雙歧桿菌的混合分析。

貝塔魚在馴化過程中的多樣化

研究人員收集了14個品種的暹羅鬥魚，它們在尾巴類型，顏色，性別和體型方面各不相同並對727個個體進行了全基因組重測序，產生了~2.7 Tb的測序數據。

為了闡明暹羅鬥魚複合體的種群歷史和馴化的暹羅鬥魚的起源，研究者進一步對來自暹羅鬥魚複合體的六個野生物種的59個個體進行了測序，對每個品種的20個隨機挑選的個體進行共分析。來自串聯序列的最大似然系統發育，代表平均基因組聚結樹，表明馴化的品種相對於其他野生物種形成單系群。此外，在主成分分析中，它們始終如一地形成一個緊密的簇，與其他野生個體不同。

這些觀察結果與以下假設相一致，即暹羅鬥魚的所有當前品種都是從同一組野生雙歧桿菌中馴化的。貝塔西亞莫林塔個體在樹中的貝塔英伯利斯個體簇中形成單系分支。鬥魚品種的幾個分支作為外群體落在系統發育樹中其他馴化品種的外群體，這與育種記錄相符，即鬥士品種代表了早期的馴化形式，最早的馴化貝塔魚實際上是為戰鬥而選擇的品種。

然而，這些觀察結果也可以歸因於野生物種對鬥魚，面尾和冠尾品種的滲透，因為在不同的魚類群體中觀察到廣泛的基因流動信號。種群結構，如系統發育，PCA，和外加劑分析，表明由顏色和形態定義的品種通常聚集在一起。

儘管研究者注意到這一結論可能受到此處使用的採樣策略的影響。半月普拉卡特品種是短鰭類型，與戰鬥型和野生暹羅鬥魚不同，具有圓形的尾巴形狀和體形，也根據外觀進行集群，主要與顏色有關。紅色，黃色，橙色，綠松石綠，皇家藍色，鋼藍色的品種組具有大量的群體特異性遺傳漂移，這在結構分析和全基因組系統發育中是顯着的，表明這些群體在其馴化史上經歷了強烈的瓶頸效應。

混合分析表明暹羅鬥魚野生和馴化物種之間存在大量基因流動。這些結果顯示出馴化物種和野生物種之間基因流動量的普遍異質性，甚至在同一品種的個體中也很明顯。個體間混合物的高度異質性表明，基因流動不僅在野生和馴化的品種中很常見，而且是最近才出現的，可能是由於人為的影響。至少有兩種野生物種，貝塔馬哈柴氏魚和雙歧桿菌，為馴養的暹羅鬥魚的基因組組成做出了貢獻。因此也可能促成了這些品種的表型變異。

dmrt1中的調節變體介導了雙歧桿菌的雄性異配子

為了繪製位點，研究者使用混合線性模型對所有727個個體進行了關聯映射，包括590名雄性和137名雌性。將親緣矩陣和PCA的前三個主要成分用作協變量，以最大限度地減少種群分層的影響。

研究人員在9號染色體上的位置27.75至27.81 Mb處發現了一個非常重要的圖譜位置。與不同品種的映射一致地重複信號，支持所有這些品種中SD的共同遺傳基礎，這也與以前的研究一致。在537個具有鉛變異雜合基因型的個體的537個個體中，有533個個體是表型雄性，137個AA純合子個體中有130個是雌性，這強烈支持了暹羅鬥魚雄性異配子（XY /XX）的假設。

A）SD的GWAS分析 B）相關峰區上的分佈圖。 C）卵巢和睾丸基因的表達水平。D）表型的曼哈頓圖 F）顏色圖案表型

最強關聯的變體簇以 dmrt1 和 kank1 的內含子組成。kank1通過調節肌動蛋白聚合在細胞骨架形成中起作用，這使得它不太可能成為SD。相比之下，dmrt1是一種眾所周知的基因，有助於魚類，鳥類和爬行動物中的SD。

此外，mRNA測序顯示dmrt1在睾丸中高度表達，但在卵巢中幾乎檢測不到。暹羅鬥魚中的dmrt1在進化上接近青鱂魚dmy基因，這是在硬骨質中鑒定出的第一個性別決定基因。同配子雌性基因型雄性的存在可能表明環境因素，如溫度，也可能像許多其他魚類一樣在SD中發揮作用。

其他野生物種，包括雙歧桿菌、西亞莫里塔利斯、馬哈恰伊氏雙歧桿菌、斯馬拉吉納雙歧桿菌、吉他雙歧桿菌和雙歧桿菌，可能具有不同的SD機制，因為雌性和雄性個體在領先的單核苷酸多態性（SNP）處的G等位基因都是純合子的，並且與這些個體的全基因組關聯研究（GWAS）沒有在dmrt1處恢複信號位點。

貝塔魚的顏色和顏色圖案

研究表明，鋼藍色品種暹羅鬥魚與其他品種的不同之處在於鱗片下層缺乏紅細胞。將鋼藍、皇家藍和綠松石綠編碼為 1、2和3的GWA分析在24號染色體上以 8.96 至 9.19 Mb 的速度識別出單個位點，以及具有其他編碼方案的 GWAS 始終映射到同一位置。

SNP峰值的基因型分析表明，綠松石綠和鋼藍是不同等位基因的純合子，28個皇家藍個體中有27個是雜合子，這與共顯性遺傳模式高度一致。該位點包含13個蛋白質編碼基因，包括mthfd1l。mthfd1l參與四氫葉酸的合成，四氫葉酸從事嘌呤的從頭組裝，嘌呤是產生虹彩團的關鍵成分，產生虹彩顏色，包括藍色和綠色。

因此，mthfd1l是一個有前途的候選者，需要深入的功能研究。銅品種暹羅鬥魚的鱗片上具有特徵性的金屬外觀。繁殖記錄表明，它是通過將「金屬基因」引入鋼藍品種的遺傳背景而衍生出來的。

進行了GWAS，確定了兩個最重要的峰。最強的一個與皇家藍色，鋼藍色和綠松石綠色變化下面的位點重疊，另一個位於5號染色體的10.37 Mb處。所有峰變體都存在於srgap3基因中，細胞骨架調節劑。該位點的先導SNP的基因型分析顯示，鋼藍是T等位基因的純合子，而銅個體攜帶一個或兩個替代等位基因（C）的拷貝，與已知的遺傳模式一致。

因此，研究者認為相關區域是假設的孟德爾金屬基因的有力候選者。在硬骨質中，紅細胞團和黃色團分別產生紅色和黃色顏料，橙色可以由蝶啶組分或紅色和黃色顏料的混合物賦予。案例對照GWAS對比橙色品種與紅色和黃色品種在8號染色體5.83 Mb的位置鑒定出一個主要位點，包含93個變體，全部位於rnf213基因中，參與血管生成和血管發育中的非規範Wnt信號通路。

紅色和黃色品種是T等位基因缺失的純合子，而橙色品種的TA等位基因插入頻率較高。馬賽克彩色花紋是暹羅鬥魚中一種壯觀的表型，具有多種商業名稱，包括錦鯉，糖果，星系，檸檬和大理石。雖然在錦鯉和青鱂魚中也觀察到馬賽克顏色圖案，但尚未研究潛在的分子基礎。

在這裡，研究者執行了GWAS，在實心和馬賽克顏色之間進行案例控制設計。並在八條染色體上鑒定出九個相關位點，提示該表型的多基因基礎。兩個最強的信號在11號染色體上的兩個相鄰峰中發現。在最重要的位點上，重點介紹與色素沉着有關的slc39a7，chs3，chs8和col11a2，以及參與細胞內色素動員的管狀物。此外，相鄰的軌跡還含有色素沉着相關基因，包括臀位素，eppk1，slc17a5和slc52a2。

值得注意的是，在關聯峰中，有八個拷貝的plec，這是一個基因共表達網絡分析中的中心基因，用於洞穴魚中「粉紅色 - 深綠色」顏色變化。暹羅鬥魚的眼睛顏色也表現出極大的多樣性，至少六種顏色類別，包括黑色，白色，黃褐色，黃色，淺藍色和棕色，可以視覺識別。然而，每個組的GWA映射並未顯示強相關位點，可能表明眼睛顏色變化背後的複雜遺傳結構或環境線索。

kcnj15的功能增益導致鰭片過度生長

暹羅鬥魚之間最顯着的形態差異在於鰭，特別是尾鰭。面紗尾和半月在背鰭，肛鰭和尾鰭方面顯示出與戰鬥型相比的顯着增長。雜交種表明所有長鰭品種具有共同的遺傳基礎，長鰭表型優於短鰭表型。

為了繪製潛在的遺傳變異，進行了GWAS對比長鰭與短鰭個體。一個極顯著位點以14號染色體9.60 Mb為中心的位置被鑒定出來。完全鏈接中有三種導聯變體：一種同義突變，一種位於smg8中的內旋，一個位於kcnj15的3'未翻譯區域（3′UTR）。

所有三種變體都完美地區分了馴化個體中的長鰭和短鰭。smg8蛋白充當激酶活性的調節劑，參與無意義介導的mRNA衰變，並且不太可能成為長鰭表型的候選者。相比之下，kcnj15編碼鉀通道，這是一個更好的候選者，因為編碼鉀通道的幾個基因，包括kcnk5b，kcnh2a，kcnj13和kcc4a，已被鑒定為在斑馬魚中引起各種長鰭表型。

此外，通過RNA測序（RNA-seq）比較長鰭和短鰭個體之間尾鰭中兩個候選基因的表達譜時，發現smg8的表達水平在不同魚類組之間相似，而kcnj15在長鰭品種中表達量高，顯示出顯着差異，其轉錄本在短鰭品種中幾乎檢測不到。

A）長鰭與短鰭形態圖。B）全基因組信號圖。C）尾鰭基因譜。 D）雙歧桿菌SNP。 E to G）曼哈頓圖， H）GWAS圖。

大多數野生物種，包括燦爛雙歧桿菌、雙歧桿菌、馬哈柴氏雙歧桿菌和雙歧桿菌，都被認為是短鰭，並且始終將所有這些個體固定在kcnj15的SNP處的G等位基因，並且很少能檢測到轉錄本。在斯馬拉格迪納雙歧桿菌和斯瑪拉吉納雙歧桿菌吉他群體中，該變體仍在分離。在雜合子斯馬拉吉納雙歧桿菌個體中，可以檢測到預測的轉錄本，但表達水平較低，這可能是由於長尾品種最近在圈養繁殖過程中的入侵造成的。鑒於先導變體位於3′UTR上，並且變體等位基因與kcnj15的表達水平之間存在強關聯，推測該變體可能影響了kcnj15的mRNA穩定性。

面尾、冠尾和半月表型

在長鰭品種中，還有很多額外的表型變異，面尾，冠尾和半月品種是一些最獨特的品種。面尾魚是記錄的第一個長鰭品種，而後來選擇尾鰭鰩完全180°傳播產生了半月形品種。冠尾品種與半月品種的不同之處在於鰭鰭之間的織帶組織減少。

GWAS對比面紗尾和半月在16號染色體上鑒定出13.48至13.79 Mb的300 kb區域，可能與鰭擴散表型有關。在該位點中，有四個基因（znf407，zadh2，tshz1和znf516）編碼鋅指蛋白，廣泛參與轉錄調節和細胞功能。GWAS比較半月和冠尾在2號染色體上顯示12.21至12.27 Mb的顯着信號，可能與織帶表型有關。

在位點內，一簇顯着相關的變異位於a0zsk3（新膀胱毒素亞基α）和cep70（中心體蛋白70）之間的基因間區域，其沒有任何與表型直接相關的功能，可能表明潛在因果變異的調節作用。比較冠尾和面尾品種，發現22號染色體上有一個位點（8.25至8.40 Mb）跨越八個基因，包括 frmd6，它參與肌動蛋白結構組織，並且具有與上皮到間充質過渡特徵相關的表達喪失，使其成為解釋冠尾和面尾品種之間鰭形態表型差異的強候選基因。

「小飛象」表型

硬骨動物的胸鰭與兩棲動物，爬行動物和哺乳動物的前附件同源。一個品種，小飛象，其特徵是其成對的胸鰭過度生長，具有更多和細長的鰭射線。使用小飛象作為案例和非小飛象作為對照的GWAS識別出兩個強信號，它們分別位於11號和 19染色體上。

在基因表達分析的基礎上，因果基因可能是kcnh8。然而，該基因位於我們研究中確定的11號染色體上的相關位點之外。此外，在比較小飛象和非小飛象品種時，在胸鰭組織中沒有檢測到kcnh8的差異表達。

研究中的主要SNP位於一個包含來自hoxa基因家族的八個基因簇的區域，這對於形成硬骨質中的鰭骨骼和手指至關重要。對於19號染色體上的信號，其中一個SNP位於fbxl15的3′UTR上，這是一種參與背/腹側模式形成和骨鱸維持的基因，使其成為一個強大的候選基因。

巨型表型

體型在許多生物體中表現出多基因遺傳，包括人類。在暹羅鬥魚中，巨型突變體顯示出顯着的身體擴大，如總長度，標準長度，重量的增加。對照GWAS使用體長測量結果將大小與正常大小的品種和GWAS進行比較，在8號染色體的2.03至2.26 Mb位置發現了一個共同的重要位點，這解釋了8.1%至9.0%的表型方差。

仔細檢查位點中的基因，研究者沒有發現編碼全球身體發育調節因子的基因，這是預期的，因為觀察到巨變導致許多器官的擴大。儘管如此，研究者還是突出顯示了mrps34和spsb3，它們與GWAS目錄中的人類身高有關。

A至D）五組暹羅鬥魚的身體測量。E）巨型和對照GWAS。 F）暹羅鬥魚標準體長的GWAS

侵略性

攻擊性行為是一種複雜的表型，涉及遺傳學，內分泌學，神經生理學和新陳代謝。在一對一的戰鬥中，暹羅鬥魚的雄性獲勝者已被育種者選中，以提高戰鬥性能，從而產生具有更強侵略性，更長的戰鬥持續時間和更活躍的戰鬥型品種。

使用戰鬥型作為對照，並鑒定了分佈在21條染色體上的36個關聯峰。S36至S39，表明戰鬥型與其他品種之間行為差異的多基因基礎。在4號染色體上發現最強的關聯信號，並且SNP位於兩個 esyt2 副本附近。它被證明可以促進果蠅的神經傳遞和突觸生長，有希望成為侵略表型的候選基因。

研究者還強調了由關聯峰標記的其他六個神經系統相關基因，包括apbb2編碼 β澱粉樣蛋白A4前體蛋白結合家族B成員2蛋白，並與神經變性和阿爾茨海默病有關；pank2 編碼泛酸激酶，並與神經變性和帕金森綜合征有關；crhr2 編碼促腎上腺皮質激素釋放激素受體2，介導小鼠焦慮；ece2 編碼內皮素轉換酶-2，調節人類的神經發生和神經元遷移；gpr139 編碼孤兒G蛋白偶聯受體，是腦迴路阿片類藥物調節的核心參與者；和 grm3 與雙相情感障礙和精神分裂症有關。對這些關聯的進一步研究可能會為攻擊性行為背後的神經基礎提供機械學見解。

A）戰鬥型與對照組 GWAS。 B）量化侵略性方法。 C to J）戰鬥型與非對照組表型圖。 K、L）GWAS分析圖。

為了研究與戰鬥型相關的行為，分析了模擬戰鬥期間顯示的10種不同行為，包括接近，空氣呼吸，鰓耀斑，鰭耀斑，抽搐，嘴巴張開，起搏和後退，並進行關聯映射以識別每種行為的遺傳結構。用於戰鬥期間行為的GWAS鑒定出一個密切相關的SNP。其位於gfra2的兩個拷貝附近，在控制神經元存活和分化中起關鍵作用。

值得注意的是，關聯信號在GWAS中表明戰鬥期間這兩種相關行為的共同遺傳基礎。通過合成攻擊指數中的所有10種行為來量化攻擊性，根據該指數，戰士型表現出強143%的侵略性。GWAS在侵襲指數上鑒定出8號染色體上的一組相關變異，位於atp5g2基因上或附近，atp5g2基因是線粒體腺苷三磷酸合成酶的亞基。9號染色體上的另一個信號標記了unc-13同源物B基因，這與人類精神分裂症和部分性癲癇的風險有關。