近日,广州海洋实验室魏辅文研究团队在Frontiers in Marine Science期刊上在线发表了题为“Chromosome-level genome assembly of the yellow boxfish (Ostracion cubicus) provides insights into the evolution of bone plates and ostracitoxin secretion”的研究论文,广州海洋实验室为第一单位。该研究利用三代HiFi结合Hi-C测序技术,首次获得了箱鲀科鱼类的染色体级别基因组,并探讨箱鲀骨板和箱鲀毒素这两个箱鲀科鱼类极具特色的防御性状的演化遗传机制。
鲀形目鱼类大部分生活在热带珊瑚礁等复杂海洋环境中,是维持珊瑚礁生态系统稳定的重要功能类群,各自占有不同的生态位且形成不同的反捕食防御策略,所有这些特征使得鲀形目鱼类成为最适合作为物种适应性演化研究范式的物种类群之一。其中,六棱箱鲀科和箱鲀科鱼类不仅皮肤粘液腺可以分泌的箱鲀毒素,还演化形成覆盖全身的盒装骨板增强防御。但由于缺乏参考基因组,限制了箱鲀防御性状适应性演化遗传机制的系统研究。
研究团队通过三代HiFi结合Hi-C测序技术,组装了粒突箱鲀(O. cubicus)的染色体级别基因组,基因组大小为867.50 Mb,组装的基因组仅包含545个scaffold,Scaffold N50为34.86 Mb,挂载到25条染色体(图1),这是目前基因组组装质量最高的鱼类之一。注释到23,224个蛋白质编码基因组,BUSCO评估值为98.6%(图2),这与22种鱼类中平均23,475个蛋白编码基因数量相当,说明粒突箱鲀的基因组注释质量较高。
图1 粒突箱鲀基因组共线性分析结果图
图2 粒突箱鲀基因组注释结果
此外,基于粒突箱鲀的染色体级别基因组,利用基因组学和转录组学分析方法,筛选到:(1)与箱鲀骨板演化相关基因:通过比较粒突箱鲀和其他鱼类基因组数据,发现与鱼类骨骼发育相关的保守蛋白编码基因受到正选择作用或快速进化(acsl4a、casr、keap1a等);通过比较箱鲀科鱼类和鲀形目其他科鱼类的皮肤组织转录组数据,发现一些与鱼类骨骼发育相关的基因在箱鲀皮肤组织中表达上调(bmp1、bmp2k、suco等)。(2)与箱鲀毒素分泌相关基因:粒突箱鲀基因组中的溶质载体家族蛋白22(slc22)发生明显扩张;且一系列与鱼类毒素分泌相关的基因受到正选择作用或快速进化(包括溶质载体基因,SLCs;跨膜蛋白基因,TMEMs;囊泡转运基因,SECs),以及在箱鲀科鱼类皮肤组织中表达上调(ABC转运蛋白基因,ABCs;载脂蛋白基因,APOs)(图3和4)。这些关键基因编码区序列和表达模式的改变很可能促进箱鲀科鱼类的箱鲀骨板和箱鲀毒素的演化。
图3 粒突箱鲀系统发育关系与扩张基因家族分析
图4粒突箱鲀基因组中与骨板演化和箱鲀毒素分泌相关的基因
本研究组装了粒突箱鲀染色体级别基因组,为鲀形目鱼类生态学和演化生物学研究提供高质量参考基因组;挖掘了与骨板和箱鲀毒素分泌性状演化相关的候选基因,为后续开展鲀形目鱼类防御性状演化遗传机制研究奠定基础,具有重要的理论价值。
该研究由“十四五”国家重点研发计划(2021YFF0502802)、国家自然科学基金(32222014)、广东省科技厅“珠江人才计划”(2021QN02H103)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才启动项目(GML2020GD0804,GML2022GD0804)等科研项目联合资助。