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Nature子刊:華大海洋聯合發表寶石鱸基因組染色體圖譜
日期:2022-07-19

近日,華大海洋與廣東海洋大學合作,在國際學術刊物Nature子刊Scientific Data上發表寶石鱸基因組研究成果(圖1)[1]。 

該研究以寶石鱸為實驗材料,結合基因測序以及轉錄組數據,構建了24對染色體組成的全基因組圖譜,注釋到26,905個基因,鑒定出寶石鱸不飽和脂肪酸重要合成基因,并預測多種重要鱸魚的共同祖先染色體情況。 

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圖1 寶石鱸基因組論文 

廣東海洋大學水產學院魯義善教授、深圳市華大海洋研究院博士生李蕊晗為論文并列第一作者;魯教授、華大海洋研究院副院長卞超副研究員和院長石瓊院士為共同通訊作者。 

寶石鱸富含不飽和脂肪酸 

寶石鱸(Scortum barcoo,圖2)為鱸形目、鯻科、革鯻屬經濟魚類,原產于澳大利亞,于2001年引入中國。由于其外形美觀、肉質鮮嫩且沒有肌間小刺、生長速度快、不易染病,已逐漸成為我國重要的水產養殖物種之一。 

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圖2 寶石鱸

寶石鱸富含不飽和脂肪酸。ω-3多不飽和脂肪酸(PUFA)的兩種代表性類型二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA),都是人體生長發育的必需脂肪酸。然而,人類自身無法合成這些ω-3多不飽和脂肪酸,只能從魚油等食物中獲得。 

近日,華大海洋在國際學術期刊Frontiers in Marine Science上發表了海馬降血壓肽研究成果(圖1)[1]。該研究以線紋海馬(Hippocampus erectus)為實驗材料,通過基因組、轉錄組和蛋白組等多組學技術手段,對海馬降血壓肽的組成類型、組織分布和含量水平進行分析,為開發以海馬為原料的降血壓性功能制品、保健食品和臨床藥物等提供理論依據。 

多數魚類可利用脂肪酸前體生物合成各種ω-3多不飽和脂肪酸,但能力差異極大。這一生物合成過程主要由兩個關鍵酶控制,即脂肪酸去飽和酶(由fads基因編碼)和長鏈脂肪酸延長酶(由elovl基因編碼)。 

哺乳動物有一系列fads基因(fads1、fads2和fads3),而大多數硬骨魚類只有一個fads2。fads2編碼的脂肪酸去飽和酶FADS2,可通過形成脂肪?;溨刑荚又g的雙鍵使脂肪酸去飽和。FADS2具有不同的去飽和位置,從而可分為Δ4去飽和酶、Δ5去飽和酶和Δ6去飽和酶。此外,有研究表明部分FADS2具有Δ8去飽和酶功能。在哺乳動物中總共報告了七個elovl基因家族成員(elovl1~7),其中elovl1、elovl3、elovl6和elovl7編碼延長酶以催化飽和與單不飽和脂肪酸的延長,而elovl2、elolv4和elovl5編碼蛋白以延長多不飽和脂肪酸。魚類elovl2、elovl4和elovl5的功能與哺乳動物的類似。近來,有研究證實長鰭籃子魚中存在兩種elovl8(分為elovl8a和elovl8b;在哺乳動物中未發現),并且elovl8b在多不飽和脂肪酸的延伸中發揮重要作用。由于ω-3多不飽和脂肪酸含量高,寶石鱸可以作為詳細探索ω-3多不飽和脂肪酸生物合成途徑的良好模型。 

本論文主要內容  

本研究中,我們采用基因測序技術,為后續的基因組組裝、注釋和染色體構建提供高質量的測序數據。此外,我們不僅將幾個與ω-3多不飽和脂肪酸生物合成相關的關鍵功能基因定位到染色體上,還預測寶石鱸中ω-3多不飽和脂肪酸含量高的一些可能機制。 

我們還基于單拷貝基因建立了寶石鱸與7種代表性硬骨魚類的系統發育進化位置,并在四種已測序的鱸魚(寶石鱸、歐洲鱸、大口黑鱸和中國鱸魚)中推斷出具有常見染色體易位的鱸魚祖先核型。作為一種重要的遺傳資源,寶石鱸基因組組裝圖譜將支撐對這個經濟魚類進行深入的生物學研究和分子育種研發。 

我們組裝出長度為657.7Mb的寶石鱸基因組,并構建24條染色體組成的單體型(圖3);組裝contig N50為4.5Mb,scaffold N50 達28.6Mb,BUSCO完整度評價為97.9%。寶石鱸基因組中共注釋出26,905個基因,基因平均長度為15,168bp;基因組的19.7%為重復序列。 

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圖3 寶石鱸基因組及重復序列密度、GC含量、基因密度展示 

進化分析發現,寶石鱸和歐洲鱸聚為一個分支。這兩種鱸魚之間的密切關系與傳統的形態分類相一致,它們的分化時間估計在7,170萬年前(見圖4)。 

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圖4 九種代表性硬骨魚的分化時間樹。金龍魚被用作外群,藍色數字表示分化時間

祖先染色體分析發現,寶石鱸、歐洲鱸、大口黑鱸和中國鱸魚的大部分祖先染色體核型非常保守(圖5)。與祖先染色體相比,這些鱸魚的測序染色體中存在一種常見的染色體易位。由于我們組裝的寶石鱸基因組序列比其它鱸魚的基因組更完整,因此可作為研究鱸形目魚類進化的最佳參考基因組。  

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圖5 六種代表性魚類(包括四種鱸魚)染色體核型的進化圖 

我們在寶石鱸染色體圖譜中定位了ω-3多不飽和脂肪酸生物合成的核心酶基因(圖6a)。同大多數硬骨魚類相似,寶石鱸存在elovl2缺失,有一個fads2和一個elovl5拷貝(分別位于6號和14號染色體)。兩個elovl4基因(elovl4a和elovl4b)分別定位于16和13號染色體上(圖6a);然而,多數報道的其它魚類通常只有一個elovl4基因。此外,寶石鱸的Elovl4a蛋白與革胡子鯰(圖6b)的序列相似性(82.5%)高于斑馬魚(79.7%),這意味著與革胡子鯰類似的寶石鱸可能具有有效合成ω-3多不飽和脂肪酸的能力,從而實現在肌肉中積累。 

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圖6 多不飽和脂肪酸生物合成關鍵酶基因的定性分析。(a) fads和evovl基因家族在寶石鱸基因組中的染色體定位;(b)寶石鱸、革胡子鯰和斑馬魚的Elov4蛋白序列比較。 

參考文獻 

[1] Lu Y. et al., Scientific Data, 2022, 9:408. 

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41597-022-01523-y