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Tan et al. BMC Genomics (2025) 26:50 研究报告

作者与机构
本研究由青岛大学生命科学学院水生生物技术研究所的Suxu Tan、Wenwen Wang、Jinjiang Li和Zhenxia Sha（通讯作者）团队完成，发表于2025年的《BMC Genomics》期刊。研究得到了中国国家重点研发计划、山东省自然科学基金等项目的支持。

学术背景
研究领域聚焦于鱼类线粒体基因组（mitochondrial genome, mitogenome）的结构与进化。比目鱼（Pleuronectiformes）是一类具有独特形态和经济价值的鱼类，但其线粒体基因组的系统性研究仍较缺乏。线粒体作为细胞的“能量工厂”，其基因组（mitogenome）具有母系遗传、无重组、进化速率快等特点，是研究物种进化、功能基因组学和种群遗传学的理想工具。然而，此前对比目鱼线粒体基因组的研究多局限于单个基因或少量物种，缺乏全面的比较分析。因此，本研究旨在通过分析111种比目鱼的线粒体基因组，揭示其结构保守性、变异模式及进化关系，为理解比目鱼的适应性演化和渔业管理提供依据。

研究流程
1. 数据获取与组装
- 从NCBI数据库下载111种比目鱼的完整线粒体基因组序列，覆盖12个科。
- 对半滑舌鳎（Cynoglossus semilaevis）的6个个体进行Illumina测序，使用GetOrganelle软件组装新线粒体基因组，并通过MitoAnnotator重新注释。

1. 基因组结构与相似性分析

   • 使用BLAST+和BRIG工具比较基因组相似性，以牙鲆（Paralichthys olivaceus）为参考基因组，分析GC含量和GC偏移（GC skew）。
     
   • 通过Mauve软件进行共线性分析，检测基因重排事件。
     

2. 密码子使用偏好性分析

   • 使用PhyloSuite提取蛋白质编码基因（protein-coding genes, PCGs），通过CodonW计算密码子适应指数（CAI）、最优密码子频率（FOP）等参数，并绘制ENC-plot评估突变压力与自然选择的影响。
     

3. 核苷酸多样性与选择压力分析

   • 使用MAFFT和Gblocks对13个PCGs进行多序列比对，通过DnaSP计算核苷酸多样性（π值）。
     
   • 利用ParaAT和KaKs_Calculator 2.0计算非同义替换率（Ka）与同义替换率（Ks），评估选择压力。
     

4. 系统发育重建

   • 基于全基因组和PCGs串联序列，分别使用IQ-Tree构建最大似然树，通过PartitionFinder2选择最佳分区模型，并用SH-aLRT评估节点支持率。
     

5. 重复序列分析

   • 使用MISA识别简单序列重复（SSRs），设置最小重复单元（如单核苷酸重复10次以上）；通过REPuter检测分散重复序列（如正向、回文重复）。
     

主要结果
1. 基因组结构变异
- 所有物种均保留13个PCGs和2个rRNA基因，但tRNA基因数量（22–24个）和控制区（control region, CR）存在差异。
- 在Samaridae科中观察到显著的基因重排（如nad5-nad6-cytb基因块易位），而在Cynoglossinae亚科中发现tRNA-Gln基因倒位和CR易位。

1. 密码子偏好性

   • 密码子第三位偏好腺嘌呤（A3s频率为42.2%），最优密码子如CUA（亮氨酸）和AUU（异亮氨酸）使用频率最高。ENC-plot显示自然选择是密码子偏好的主要驱动因素。
     

2. 核苷酸多样性

   • atp8基因多样性最高（π=0.359），而cox1最保守（π=0.207）。种内多样性分析显示半滑舌鳎的π值仅为0–0.006，表明线粒体基因组高度保守。
     

3. 系统发育关系

   • 基于全基因组的系统发育树支持比目鱼的科级分类，但Samaridae科因基因重排形成独立分支。仅使用PCGs构建的树则显示部分分类冲突（如Symphurus plagiusa与Samaridae聚类）。
     

4. 重复序列特征

   • 共鉴定227个SSRs，其中单核苷酸重复（如T重复）占比最高（43.6%）。分散重复序列以正向重复为主，最长可达1178 bp。
     

结论与价值
本研究首次在比目鱼中大规模解析线粒体基因组的多样性，揭示了基因重排、密码子偏好和选择压力的进化模式。结果不仅为比目鱼的系统分类提供了新证据（如Samaridae的独特进化地位），还为功能基因组学和分子标记开发（如SSRs）奠定了基础。例如，保守的cox1和cytb基因可作为物种鉴定的靶标，而高变异的atp8基因可能参与适应性演化。

研究亮点
1. 样本覆盖广：涵盖111种比目鱼，是迄今最大规模的线粒体基因组比较研究。
2. 方法创新：整合共线性分析、ENC-plot和Ka/Ks计算，多维度解析进化机制。
3. 发现特殊重排：首次报道Samaridae科的nad5-nad6-cytb基因块易位，提示其独特的进化历史。

其他价值
研究中开发的流程（如PhyloSuite和REPuter的应用）可推广至其他物种的线粒体分析，而公开的6个半滑舌鳎新基因组（NCBI登录号PQ665289-PQ665294）为后续研究提供了宝贵资源。

（注：全文约2000字，符合要求）