通過裂腹魚類的轉錄組比較分析揭示青藏高原魚類的適應性進化.pdf

1、裂腹魚隸屬于鯉形目鯉科魚類，廣泛分布于青藏高原。它們對青藏高原高海拔，低溫，低氧，強紫外線輻射等極端環(huán)境具有很強的適應性。因此逐漸成為了一種理想的適應性進化研究模型。雖然近年來已有學者將裂腹魚類和親緣關系較遠的平原魚類做了比較分析，在一定程度上揭示了裂腹魚類的遺傳適應性。但是有關青藏高原上親緣關系較近的裂腹魚類之間的比較研究目前還比較缺乏。在本文中通過兩項轉錄組學的比較研究，憑借高通量測序的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，分別對高、中、低三個海拔鯉科魚類的

2、轉錄組進行比較分析，闡述了裂腹魚類的系統(tǒng)發(fā)育關系及其高原適應性進化機制。
　　首先，選擇分布于不同海拔的2種裂腹魚類：生活在較高海拔（海拔約4000米）的特化等級類群裂腹魚——軟刺裸鯉（Gymnocypris dobula）、生活在較低海拔（海拔約1200米）的原始等級類群裂腹魚——怒江裂腹魚（Schizothorax nukiangensis），同時以生活在平原的鯉科魚類——斑馬魚（Danio rerio）作為對照比較分析。應用

3、 Illumina測序，獲得2種裂腹魚類共8個組織的測序原始reads，去除接頭以及低質量的reads后，利用Trinity從頭組裝，得到2個物種的contigs序列，基于Transdecoder預測2個轉錄組的編碼基因，再對預測的編碼基因分別進行NR、KOG、GO和KEGG等多種數(shù)據(jù)庫注釋。最后采用同源基因查找軟件 OrthoMCL篩選得到了三個物種的同源基因聚類。經(jīng)過同源基因的序列比對以及過濾處理后，共計得到11007個單拷貝直系同

4、源基因用于后續(xù)進化分析。利用 PAML中的自由率模型計算單拷貝直系同源基因的dN/dS值，比較發(fā)現(xiàn)裂腹魚類的進化速率明顯較斑馬魚快，并且許多GO通路的進化速率也顯著加快。說明由于青藏高原的隆起，裂腹魚類的生存環(huán)境發(fā)生了改變，為了適應環(huán)境，經(jīng)歷了一個快速進化的過程。隨后對兩種海拔的裂腹魚分別使用PAML的分支-位點模型鑒定正選擇基因。它們主要分布在低氧應答、能量代謝和心血管系統(tǒng)發(fā)育等與高原適應性相關的生物學過程。進一步的GO富集表明在兩種

5、裂腹魚中正選擇基因富集在不同的GO條目，提示兩種裂腹魚的對高原的適應機制可能是不同的。
　　其次，選擇了分布在高低兩個海拔的4種裂腹魚：兩種高海拔裂腹魚——軟刺裸鯉（Gymnocypris dobula）、裸腹葉須魚（Ptychobarbus kaznakovi）和兩種亞高海拔裂腹魚——貢山裂腹魚（ Schizothorax gongshanensi）、青海湖裸鯉（Gymnocypris przewalskii przewalsk

6、ii），同時選擇兩種平原鯉科魚類——斑馬魚（ Danio rerio）和草魚（Ctenopharyngodon idellus）比較分析轉錄組。對4種裂腹魚的5個組織提取RNA轉錄組測序。按照前文類似的方法，得到了6個物種共計7532個單拷貝直系同源基因家族，提取這些基因的4倍簡并位點串聯(lián)后，Modeltest檢測最優(yōu)模型為GTR+G+I，Paup基于最大似然法構建系統(tǒng)發(fā)育樹，結果顯示高海拔裂腹魚、亞高海拔裂腹魚以及平原鯉科魚類分別各自

7、聚為一個類群，而裂腹魚亞科魚類又聚為一個大類，并且進化樹支持率（自展值為100）較高。參考多個已有文獻報道的鯉科魚類分歧時間，運用PAML包中的MCMCtree估算了裂腹魚亞科魚類的分歧年代，結果表明，裂腹魚亞科魚類的共同祖先在3270萬年前分化，與青藏高原第一個階段隆起的時間一致。高海拔裂腹魚分化的年代大約在810萬年前，正好是青藏高原第二個抬升階段開始的時間這都表明青藏高原的隆起和裂腹魚類的分化具有一致性。此外與平原鯉科魚類相比，所

8、有裂腹魚類的dN/dS值都顯著升高，并且一些和高原適應相關的能量代謝、低氧應答以及DNA修復等方面的GO條目的進化速率也明顯加快，說明青藏高原的魚類經(jīng)歷了一個快速的進化過程。通過分支-位點模型計算和似然比檢驗，在高海拔裂腹魚和亞高海拔裂腹魚中分別鑒定得到了208個和137個正選擇基因，其中僅有12個基因是重合的。分別對這些正選擇基因進行 GO富集，GO功能也呈現(xiàn)了不同的富集分布，在包括“感官器官形態(tài)發(fā)生”、“蛋白質泛素化調節(jié)”、“血液循

9、環(huán)”和“血管發(fā)育”等方面都出現(xiàn)了差異。這些結果提示在高海拔和亞高海拔的裂腹魚亞科魚類在青藏高原隆起的過程中可能面對不同的選擇壓力。比較正選擇基因和已知的低氧應答相關基因，在兩個海拔的裂腹魚中分別得到了28個和21個低氧應答相關的正選擇基因，其中部分基因還參與能量代謝過程，說明裂腹魚類的能量代謝網(wǎng)絡和低氧應答網(wǎng)絡可能是相互聯(lián)系的。
　　最后基于 FPKM法計算了兩個海拔裂腹魚的基因表達譜，然后利用DEGseq比較基因的表達差異，顯示