图1.麦田河金线鲃基因组论文在Frontiers in Genetics上发表
穴居生物生活在黑暗的地下环境中。随着时间的推移，它们通过形态、行为和生理上的各种特征变化来适应无光缺食的洞穴环境。与地表鱼类相比，洞穴鱼类眼睛逐渐退化、身体色素减少、免疫力降低、昼夜节律减弱。
麦田河金线鲃（Sinocyclocheilus maitianheensis）属于鲤形目、鲤科鱼类，生活在云南昆明的麦田河地表水域中，与无眼金线鲃（一种同地域生活的洞穴鱼类）是亲缘关系紧密的姊妹种。金线鲃属可能共享四倍体进化的起源，都有48对染色体，数目是大多数硬骨鱼的两倍[2]。金线鲃属鱼类的基因组多样性，使其成为了研究洞穴适应性和系统进化的良好模型。
本研究对麦田河金线鲃进行了全基因组测序、组装和注释，并与其它4种金线鲃（地表种滇池金线鲃、半穴居种犀角金线鲃、穴居种无眼金线鲃和安水金线鲃）进行比较基因组学分析和免疫相关基因调查。金线鲃属鱼类是国家二级保护动物，本研究也为这些地方性稀有物种的综合保护和经济价值开发提供参考。
图2.麦田河金线鲃
基因组组装结果、基因家族聚类与系统发育树构建
经过从头组装，最终获得的麦田河金线鲃基因组大小为1.7 Gb，scaffold N50和contig N50分别为1.4 Mb与24.7 kb,GC含量为37.6%。BUSCO评估的基因组完整度为97.1%，完整性较高。重复序列占基因组的39.4%。研究结果共预测到39,977个蛋白编码基因，平均长度为15.9 kb。共有38,677个预测基因可比对到公共功能数据库，占注释基因的96.8%。利用五种金线鲃和六种其它代表性脊椎动物的基因组数据，本研究共预测出26,875个基因家族，其中191个为共同的单拷贝基因家族。
麦田河金线鲃有32,150个蛋白编码基因被聚类到15,617个基因家族；多拷贝、单拷贝和特有基因家族数目分别为15,400、2,508和981（图3A)。图3B总结了5种金线鲃之间共有的基因家族数量。基于有关基因组和转录组数据，科研团队利用191个共同的单拷贝基因家族构建出系统发育树，揭示了五种金线鲃之间的新型进化关系（图3C）。这种拓扑结构与早期基于少数基因组[2]和线粒体基因[3]构建的系统发育树相一致，但与基于眼睛形态特征[4]构建的进化树不同。
因此本研究基于基因组水平，用最新的物种进化拓扑结构支撑金线鲃属鱼类系统发育的新见解。麦田河金线鲃与无眼金线鲃亲缘关系最近，生活的地理位置也最接近，它们在约270万年前分离。这可能是由于喜马拉雅造山运动后云贵高原持续隆起，无眼金线鲃的祖先沿着麦田河游进了周围洞穴中，进而形成地理隔离和物种分化。
图3.基因家族聚类与进化分析
金线鲃属全基因组复制（WGD）事件的时间估计
鲤科鱼类在第三次全基因组复制事件（3R WGD）之后还有部分物种经历了硬骨鱼特殊的WGD事件。本研究通过4dTv分析，来估计金线鲃谱系特异性全基因组复制事件的时间。研究结果发现5种金线鲃和鲤鱼同源基因对的自我比对峰值接近（在0.04-0.06之间，图3D）。这表明这些理科鱼类可能发生过最近的特异性全基因组复制事件；预计发生在1,810万年前，早于金线鲃与鲤鱼的分化时间。
免疫相关基因拷贝数的分析揭示洞穴鱼类的免疫变化趋势
本研究对金线鲃和其它多种鱼类中P38和线粒体通路中15个免疫和凋亡相关基因进行进行了拷贝数调查统计。从整体上看，金线鲃和鲤鱼的基因拷贝数是其它二倍体硬骨鱼的两倍。但在洞穴鱼类中，一些基因的数量发生了有趣的变化。
无眼金线鲃中，ask1（一种凋亡信号相关的调节激酶）的一个拷贝预测为假基因，拥有多个bcl-2a基因拷贝，无mkk4a基因。同时，与有2个拷贝的麦田河金线鲃相比，无眼金线鲃中只保留了一个拷贝的bcl2l1（编码BCL-2家族凋亡调控因子）。此外，对于本研究团队研究的大多数基因而言，另一种洞穴鱼类墨西哥脂鲤中的基因拷贝数也较少。这些基因拷贝数的差异暗示洞穴鱼类的免疫和细胞凋亡活性可能已经有所降低，这与科研人员之前猜测洞穴鱼类免疫力较低的报道相一致[5]。
总结
本论文首次报道了麦田河金线鲃的基因组组装结果，并基于有关数据建立起麦田河金线鲃与无眼金线鲃之间的密切亲缘关系。免疫和细胞凋亡相关基因拷贝数的减少，可能反映出了洞穴鱼类中免疫和细胞凋亡活性的降低。本研究的有关成果将为这种地方型经济鱼类的实际养殖、支撑洞穴鱼类生物学和物种保护提供比较研究的宝贵遗传资源。
关于作者
华大海洋研究院博士生李蕊晗、昆明动物所王晓爱副研究员和华大海洋研究院副院长卞超副研究员为该论文的共同第一作者。华大海洋研究院院长石琼教授和昆明动物所杨君兴教授为共同通讯作者。
参考文献
[1]Li R,et al.Frontiers in Genetics,2021,12:736500.
[2]Yang J,et al.BMC Biology,2016,14:1.
[3]Zhang R,et al.Genes&Genomics,2018,40(10):1033-1040.
[4]Mao TR,et al.BMC Ecology and Evolution,2021,21(1):45.
[5]Qiu Y,et al.Communicative&Integrative Biology,2016,9(6):e1255833.
