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海洋青鳉的基因组结构及其在不同盐度下转录组响应的研究

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2024-12-02 08:13

目前鱼类毒理学的模式生物以淡水鱼类为主,对海洋鱼类的研究较少。海洋青鳉(Oryziasmelastigma)对各类污染物反应敏感且对盐度有广泛的适应性,是海洋生态毒理学和研究鱼类盐度适应机理的理想模式生物。本研究通过三代测序技术对海洋青鳉的基因组进行测序和组装,得到一个高质量的海洋青鳉基因组和蛋白编码基因集。基于该基因组与近缘物种进行比较基因组分析,在全基因组的基因序列水平上对海洋青鳉进行适应性分析。从生理参数和转录组水平上研究转移到不同盐浓度下对海洋青鳉渗透调节的影响。主要结果如下:1.高质量海洋青鳉基因组与比较基因组通过利用单分子实时测序、Illumina双端测序和10X Genomics数据,组装得到海洋青鳉844.17Mb的基因组序列,scaffold N50大小为1.71 Mb,并注释得到25,699个高质量蛋白编码基因。与基于二代测序技术的基因组版本相比,该基因组版本连续性较好,gap和错误更少,鉴定出来较多重复序列,特别是LTR。与海洋青鳉和日本青鳉的共同祖先进行比较,海洋青鳉有44个扩张基因家族和46个收缩基因家族,扩张基因家族富集在钙信号通路、ABC转运体、细胞粘附分子(CAMS)、昼夜节律、cAMP信号通路、长时程增强作用、催产素信号通路等。与淡水斑马鱼、非洲青鳉和剑尾鱼相比,海洋青鳉特有基因家族富集在唾液分泌、细胞衰老、皮质醇合成和分泌、醛固酮合成和分泌等通路,与渗透调节、细胞体积调节等相关。通过正选择分析鉴定得到274个正选择基因,参与DNA修复、细胞运输、免疫、保持基因组稳定等过程。这些结果表明海洋青鳉在进化适应过程中表现出与渗透调节、环境感应、机体应激或防御等息息相关。2.海洋青鳉耐盐生理变化通过转移到4个不同盐浓度(0psu、15psu、30psu、45psu)下的长期和短期处理,淡水中的海洋青鳉孵化延迟率、鳃NKA酶活力和肝糖原含量与其他组有差异。而生长发育、孵化率、存活率等没有显著差异,这表明在广盐度环境中,海洋青鳉具有良好的生存潜力。不过,盐度加快海洋青鳉胚胎的心率。3.海洋青鳉鳃耐盐转录组水平变化海洋青鳉在4个不同盐浓度(0psu、15psu、30psu、45psu)下进行长期培养,分别对其鳃和肝脏进行转录组分析。同时也对短期极渗处理的鳃(即把正常盐浓度(30psu)培养的海洋青鳉分别转移到0psu和60psu浓度下3h)进行转录组分析。对于鳃,在 LG0 psu、LG15psu、LG45psu、SG0 psu、SG60psu 条件下分别有621、175、338、1,323、1,378个差异表达基因。短期处理比长期处理涉及更多基因的参与,且短期处理更多的是渗透信号的传达以及对心脏的影响,而长期处理更倾向于通过消化系统、分泌系统等来调节。可见,短期处理还面对处理时带来的防御代偿。不同浓度的盐溶液以及不同时间处理后发现,鳃在转录组表达水平上存在一定的差异。但有38个基因在所有处理组中都显著差异表达,这些基因在渗透调节中可能发挥重要作用。总之,鳃中的差异表达基因主要和信号转导、免疫系统、内分泌等相关。4.海洋青鳉肝脏耐盐转录组水平变化在LLO psu、LL15 psu、LL45 psu条件下,海洋青鳉肝脏转录组分析分别鉴定到98、505、1,726个差异表达基因。这些差异表达基因主要富集在蛋白质在内质网的加工过程、蛋白质输出、氨基酰-tRNA生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢、PPAR信号通路、N-聚糖生物合成、核糖体生物合成、药物代谢-细胞色素p450、脂肪消化和吸收、胰岛素抵抗、抗坏血酸和醛酸盐代谢等过程。盐度可能引起内质网应激,影响到肝脏组织中蛋白质在内质网的合成加工。机体通过未折叠蛋白反应调节肝脏代谢,起到保护作用。而鳃似乎对盐度的适应和处理有更直接的反应,主要调节离子、水平衡、免疫与信号转导等。虽然两个组织对盐度有不同的响应,但共享的差异表达基因都富集到氨基糖和核苷酸糖代谢、果糖和甘露糖代谢、类固醇生物合成通路等。为了评估RNA测序数据的可靠性,随机选择9个候选差异表达基因进行荧光定量(qRT-PCR)验证其表达。结果表明转录组结果与qRT-PCR分析结果具有较高的一致性和较强的相关性(R2=0.86)。总之,海洋青鳉基因组的完成提升其在海洋毒理学中的应用价值,对研究污染物对海洋生物生长和发育的影响有着重要意义;比较基因组分析和转录组分析中鉴定出的候选基因将为揭示鱼类对盐度适应的分子机制和促进盐碱水和海水中的水产养殖提供重要理论基础和科学依据。