jie li1,2†, taowang1,2†, wei liu3†, danqing yin4, zhengqing lai1, guosong zhang1, kai zhang1,2, jie ji1,2 和 shaowu yin1,2 等作者在《Frontiers in Genetics》期刊上于2022年11月14日发表了一篇题为“A high-quality chromosome-level genome assembly of Pelteobagrus vachelli provides insights into its environmental adaptation and population history”的研究论文。该研究的主要单位包括南京师范大学、江苏省海洋生物产业技术协同创新中心、南京市水产科学研究所和香港大学李嘉诚医学院生物医学科学学院。
该研究的学术背景主要集中在鱼类基因组学和环境适应性研究领域。Pelteobagrus vachelli（瓦氏黄颡鱼）是一种具有重要经济价值的淡水鱼类，但其基因组资源的缺乏严重限制了其产业发展和种群保护。此前，转录组学和蛋白质组学已被用于探索瓦氏黄颡鱼在缺氧应激和先天免疫中的机制，但由于缺乏高质量的参考基因组，这些组学注释的准确性无法得到保证。因此，构建瓦氏黄颡鱼的高质量染色体水平基因组组装，不仅有助于理解其环境适应性和种群历史，还能为未来的遗传育种和种群保护提供宝贵的基因组信息。
研究的主要目标是构建瓦氏黄颡鱼的第一个染色体水平基因组组装，并通过比较基因组和转录组数据分析，揭示其在高温、缺氧和细菌感染等环境压力下的适应性机制。此外，研究还通过全基因组测序（WGS）进行种群进化分析，了解其种群历史，并提出相应的保护措施。
研究的工作流程包括以下几个主要步骤：
样本采集和基因组测序：从四川省眉山市采集了瓦氏黄颡鱼的肌肉组织，提取高质量的基因组DNA。使用MGIseq 2000平台和PacBio Sequel II平台进行全基因组测序，分别生成短读长和长读长数据。短读长数据用于估计基因组大小、杂合率和重复序列比例，长读长数据用于基因组组装。
基因组组装和注释：使用NextDenovo进行基因组组装，并通过Hi-C技术将组装结果锚定到26条染色体上。基因组注释包括重复序列注释、蛋白质编码基因预测和功能注释。重复序列注释采用基于同源性和从头预测的方法，蛋白质编码基因预测结合了从头预测、同源预测和RNA-seq辅助预测。
比较基因组分析：通过比较瓦氏黄颡鱼与其他脊椎动物的基因组，构建了系统发育树，并分析了基因家族的扩张和收缩。特别关注了与ERBB家族相关的信号通路，如MAPK信号通路、PI3K-AKT信号通路和apelin信号通路，这些通路在瓦氏黄颡鱼的环境适应性中起重要作用。
环境应激下的转录组分析：对瓦氏黄颡鱼在细菌感染、缺氧和高温应激下的转录组进行测序，分析了差异表达基因（DEGs）及其富集的KEGG通路。通过Venn图分析，鉴定了在不同环境应激下共同表达的候选基因，如HDAC5、PLCβ、c-fos、DDIT4和HSP90α。
种群进化分析：从长江上游（SC）、中游（HB）和下游（JS）采集了瓦氏黄颡鱼的种群样本，进行全基因组重测序。通过SNP变异检测和注释，分析了种群遗传结构、有效种群大小和种群历史动态。结果表明，人工干预影响了瓦氏黄颡鱼野生种群的遗传结构。
研究的主要结果包括：
基因组组装和注释：构建了瓦氏黄颡鱼的高质量染色体水平基因组组装，总长度为662.13 Mb，contig N50为14.02 Mb，scaffold覆盖了99.79%的基因组。基因组注释预测了21,974个蛋白质编码基因，重复序列占基因组的34.90%。
比较基因组分析：通过4DTv分析发现瓦氏黄颡鱼在约2.7亿年前经历了一次全基因组复制（WGD）事件，与报道的TSGD（teleost-specific genome duplication）时间一致。基因家族分析鉴定了386个扩张基因家族和245个收缩基因家族，其中ERBB信号通路、MAPK信号通路、PI3K-AKT信号通路和apelin信号通路在环境适应性中起重要作用。
转录组分析：在细菌感染、缺氧和高温应激下，分别鉴定了3,708、1,070和2,718个差异表达基因。KEGG通路分析表明，这些基因主要涉及免疫和疾病、蛋白质合成与分解代谢、碳水化合物代谢等通路。Venn图分析鉴定了100个在不同环境应激下共同表达的基因，其中HDAC5、PLCβ、c-fos、DDIT4和HSP90α是关键候选基因。
种群进化分析：有效种群大小和种群历史动态分析表明，长江下游（JS）和上游（SC）的种群在10万至20万年前和4万至5万年前经历了显著的种群大小下降，而中游（HB）的种群大小变化不大。种群遗传结构分析表明，上游和下游的种群具有更近的遗传关系，推测人工干预影响了种群的遗传结构。
研究的结论是：
构建了瓦氏黄颡鱼的第一个高质量染色体水平基因组组装，为未来的生物学研究提供了基础数据库。
通过4DTv分析发现瓦氏黄颡鱼在约2.7亿年前经历了一次全基因组复制事件，与报道的TSGD时间一致。
MAPK信号通路、PI3K-AKT信号通路和apelin信号通路在瓦氏黄颡鱼的环境适应性进化中起重要作用，这些通路通过ERBB家族相互连接，并参与细胞增殖、分化和凋亡的调控。
种群进化分析表明，人工干预影响了瓦氏黄颡鱼野生种群的遗传结构。
该研究的科学价值在于首次构建了瓦氏黄颡鱼的高质量染色体水平基因组组装，为理解其环境适应性和种群历史提供了重要的基因组资源。应用价值在于为瓦氏黄颡鱼的遗传育种和种群保护提供了理论基础和技术支持。
研究的重要发现包括：
构建了瓦氏黄颡鱼的高质量染色体水平基因组组装，contig N50为14.02 Mb，是目前已发表鱼类基因组中质量最高的之一。
鉴定了与ERBB家族相关的信号通路在瓦氏黄颡鱼环境适应性中的重要作用。
通过种群进化分析，揭示了人工干预对瓦氏黄颡鱼野生种群遗传结构的影响。
研究的创新性在于首次将Hi-C技术应用于瓦氏黄颡鱼的基因组组装，并通过比较基因组和转录组分析，揭示了其在环境适应性中的关键信号通路和候选基因。此外，通过全基因组重测序进行种群进化分析，为瓦氏黄颡鱼的种群保护提供了科学依据。