中科院海洋所相建海和李富花研究組主導(dǎo)，與國(guó)內(nèi)外多家單位共同合作，歷時(shí)十年成功破譯凡納濱對(duì)蝦基因組，獲得國(guó)際首個(gè)高質(zhì)量對(duì)蝦基因組參考圖譜，研究成果1月21日在Nature子刊《Nature communications》在線發(fā)表，為甲殼動(dòng)物研究及對(duì)蝦基因組育種和分子改良提供了重要理論支撐。海洋所張曉軍、袁劍波、李詩(shī)豪、高羿、于洋等青年科研人員為文章的共同第一作者。
文章截圖
甲殼動(dòng)物和昆蟲(chóng)是節(jié)肢動(dòng)物門中的兩大門類，已有超過(guò)6萬(wàn)種甲殼動(dòng)物被報(bào)導(dǎo)。十足目甲殼動(dòng)物囊括了大量重要的水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)物種，如蝦、蟹、龍蝦等，而凡納濱對(duì)蝦（Litopenaeus vannamei）作為四大養(yǎng)殖蝦類之首，其年產(chǎn)量達(dá)416萬(wàn)噸，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，由于種質(zhì)資源匱乏，我國(guó)對(duì)蝦養(yǎng)殖單位每年需從國(guó)外引進(jìn)大量親蝦。我國(guó)自主的對(duì)蝦分子遺傳育種工作迫在眉睫，但是受限于沒(méi)有良好的參考基因組，其進(jìn)展一直相對(duì)緩慢。
凡納濱對(duì)蝦基因組圖譜
對(duì)蝦基因組是世界上公認(rèn)的高復(fù)雜基因組，阻礙了多個(gè)國(guó)際科研機(jī)構(gòu)的研究步伐。在該研究中，科研人員嘗試了從一代到三代的各種測(cè)序平臺(tái)以及各種組裝軟件，最終完成了凡納濱對(duì)蝦的全基因組de novo測(cè)序和組裝，獲得的參考圖譜Scaffold N50達(dá)到606 Kb。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，以1-6堿基為單位多次重復(fù)的簡(jiǎn)單串聯(lián)序列（SSR）占對(duì)蝦基因組的23.93%以上，是目前已測(cè)基因組物種中含量最高的，這也是對(duì)蝦基因組高復(fù)雜性的根本原因，并推測(cè)SSR的爆發(fā)與對(duì)蝦祖先適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程有關(guān)。此外，在對(duì)蝦基因組上還發(fā)現(xiàn)了兩大結(jié)構(gòu)特征：大量的物種特異性基因和大量的串聯(lián)重復(fù)基因，可能與對(duì)蝦科的特異性進(jìn)化有密切聯(lián)系。
對(duì)蝦底棲環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化
對(duì)蝦擁有非常發(fā)達(dá)的視覺(jué)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，以適應(yīng)底棲環(huán)境。對(duì)蝦有一對(duì)連接眼柄能自由活動(dòng)的復(fù)眼，每只復(fù)眼包含約5.5-8萬(wàn)個(gè)小眼，具有非常廣的視角。比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)蝦基因組上長(zhǎng)波長(zhǎng)的opsin基因發(fā)生了明顯的擴(kuò)張，可能與其底棲暗環(huán)境適應(yīng)有關(guān)。對(duì)蝦的神經(jīng)傳導(dǎo)速度達(dá)200 ms-1，是目前已報(bào)道物種中速度最快的，即使神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)達(dá)的章魚的神經(jīng)傳導(dǎo)速度也只有20 ms-1。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，大量與神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因家族都發(fā)生了擴(kuò)張，特別是兩類神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的受體谷氨酸受體和甘氨酸受體擴(kuò)張顯著，推測(cè)其是神經(jīng)傳導(dǎo)速度快的原因之一。蛻皮是蛻皮動(dòng)物（Ecdysozoa）的典型特征，對(duì)蝦一生經(jīng)過(guò)約50次蛻皮，遠(yuǎn)多于昆蟲(chóng)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)蝦擁有一條強(qiáng)化的蛻皮信號(hào)調(diào)控通路，該通路上大量基因都發(fā)生了擴(kuò)張，還有多個(gè)基因受到正選擇作用。
強(qiáng)化的對(duì)蝦蛻皮通路
對(duì)蝦基因組重測(cè)序
本研究還對(duì)22個(gè)野生和養(yǎng)殖的凡納濱對(duì)蝦個(gè)體進(jìn)行了重測(cè)序，獲得了大量的SNP分子標(biāo)記，為對(duì)蝦的遺傳育種工作提供了寶貴的資源。此外，通過(guò)選擇純化分析，研究人員還找到了對(duì)蝦基因組上14個(gè)受選擇的區(qū)域和28個(gè)受選擇的基因，它們可能與對(duì)蝦養(yǎng)殖環(huán)境適應(yīng)有關(guān)。
對(duì)蝦基因組的發(fā)表為甲殼動(dòng)物底棲適應(yīng)和蛻皮等研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為對(duì)蝦基因組育種和分子改良工作提供了重要的基礎(chǔ)平臺(tái)。
該研究得到國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“藍(lán)色生命”以及實(shí)驗(yàn)室海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重大成果支持計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
