劉少軍教授團隊揭示了人工異源四倍體魚基因組

9月14日，中國工程院院士、湖南師范大學省部共建淡水魚類發育生物學國家重點實驗室主任劉少軍教授團隊在《BMC生物學》（BMC Biology）上在線發表論文，揭示了人工異源四倍體魚的基因組。劉少軍為通訊作者，湖南師范大學副教授任力、高鑫博士、崔佳琳博士、張純教授和北京百邁客生物科技有限公司戴鶴為該文共同第一作者。

劉少軍院士在育種基地開展魚類育種研究。湖南師范大學 供圖

魚類有32000多種，是脊椎動物中物種數目最多類群。鯉科為淡水魚類最大的一科，約有200多屬2000多種，多倍化事件對于鯉科魚類的物種分化和環境適應具有重要意義，已有研究揭示鯉亞科鯽和鯉以及鲃亞科金線鲃共同起源于13.8~15.1百萬年前的一次異源四倍化事件。

上世紀80年代，劉少軍的父親、已故中國工程院院士劉筠領銜科研團隊，以二倍體紅鯽（Carassius auratus red var., 2n = 100）為母本、二倍體鯉（Cyprinus carpio L., 2n = 100）為父本，通過屬間遠緣雜交研制出兩性可育的四倍體鯽鯉品系，目前該品系已培育到F29代。異源四倍體鯽鯉品系的建立打破了傳統認識上的物種間生殖隔離，是國際上首次通過遠緣雜交獲得的脊椎動物四倍體品系。

劉筠院士團隊利用該四倍體魚資源研制了優質三倍體鯽魚（湘云鯽）和三倍體鯉魚（湘云鯉），在生產上得到了廣泛應用。劉少軍不僅作為主要研究人員之一積極參與了前期的研究工作，而且還在后續帶領團隊對該異源四倍體魚品系進行了系統的維系和遺傳改良，帶領團隊研制出一系列新型可育二倍體和四倍體魚品系。

遠緣雜交形成可育品系過程中基因組結構特性和基因表達特性是很值得系統研究的內容。對人工創制的異源四倍體魚的基因組等生物學特性進行研究，在魚類育種及探索魚類演化規律等方面具有重要意義。

紅鯽和鯉作為古老的異源四倍體，其染色體數目相比同屬于鯉科魚類的斑馬魚（2n=50）發生了加倍（2n=100），這是由于額外發生了一輪異源四倍化事件，而新生的異源四倍體鯽鯉染色體數目為200。該研究利用PacBio RS II測序技術長度長的優勢，結合基因組單分子光學圖譜和高通量染色體構象捕獲技術（HI-C），構建了高質量的異源四倍體鯽鯉基因組，其基因組組裝大小為2.95Gb，BUSCO評估基因完整度約96.4%。

兩輪額外的異源多倍化事件促使異源四倍體鯽鯉品系形成。受訪團隊 供圖

研究人員對異源四倍體鯽鯉F22代個體開展全基因組de novo測序、組裝和注釋后，對其與原始親本紅鯽和鯉開展了染色體共線性和比較基因組學分析，研究結果表明該個體基因組中包含紅鯽和鯉的染色體組；結合熒光原位雜交實驗結果，進一步確證該異源四倍體個體中200條染色體一半來自于紅鯽一半來自于鯉，未發現有染色體丟失現象。

此外，研究者發現紅鯽和鯉來源的同源染色體間存在重組交換現象。為深入探究這一現象，該研究挑選了雜交品系中F1（二倍體）、F22和F24（四倍體）代中多個個體開展基因組重測序，通過體細胞和生殖細胞間基因重組的分布和數目差異分析，推測DNA修復和減數分裂重組等機制在異源四倍體鯽鯉品系形成過程中共同發揮作用。

非均等同源重組在異源四倍體鯽鯉中的鑒定。受訪團隊 供圖

為探索新生異源四倍體魚品系形成過程中的表觀遺傳變異和基因表達譜變化，該研究針對親本紅鯽和鯉、F1和F24代的胚胎發育過程，從DNA甲基化修飾和基因表達水平開展了多角度的比較研究，發現雜交個體中紅鯽和鯉來源基因在表達和DNA甲基化層面存在多種變化特征，其中紅鯽和鯉來源的同源基因的表達伴隨異源四倍體鯽鯉品系形成發生對稱性變化。

據介紹，異源四倍體鯽鯉基因組結構及其特性的揭示為解析該品系的遺傳規律奠定了重要基礎，為現生脊椎動物異源四倍化起源提供了重要啟示，也為后續進一步揭示通過遠緣雜交形成的其它可育品系的遺傳特性提供了重要的參考。

湖南師范大學與北京百邁客生物科技有限公司等單位合作完成該論文，相關研究得到國家自然科學基金和湖南省自然科學基金等項目的支持。