普通鲤鱼Cyprinus carpio基因组序列和遗传多样性

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研究背景：

在全世界鲤鱼提供了超过2000万吨的鱼类生产量，约占全球水产品总体产量的40%，淡水水产品总产量的70%。它们已成为经济上最为重要的硬骨鱼类。由于大多数鲤鱼是杂食滤食性动物，消耗很少的鱼粉和鱼油，相比于鲑鱼和虾等其他的主要的养殖物种，鲤鱼被视作是一种环保型鱼类。作为占优势的鲤科鱼类之一，全球有100多个国家养育鲤鱼，其占据全球年淡水水产品产量的10%。除了其在食物资源方面的价值，鲤鱼还是一种重要的观赏鱼类。它的一个变种锦鲤（koi）是最受欢迎的一种户外观赏鱼类。本研究对驯养鲤鱼（松浦鲤，Songpu）进行了测序并绘制了其基因组草图，同时构建了高分辨率的遗传图谱，这一基因组草图为更好地进行分子研究，以及改良鲤鱼和其他关系密切的物种铺平了道路。

研究方法：

鲤鱼样本：来自驯化松浦鲤鱼的纯合双单倍体无性系；测序平台：Roche 454，Illumina 和SOLiD，单端和双端测序，250bp-8kb文库；contig组装依据单端焦磷酸测序数据，利用CABOG软件组装；scaffold组装依据双末端和mate-pair序列（来自不同测序平台和BAC文库）。

研究内容：

1. 基因组图谱绘制：

预估基因组大小为1.83G，组装scaffold总长1.69G；contigN50=68.4kb，scaffoldN50= 1.0Mb；鉴定3470高质量SNPs和773个微卫星标记，构建50个连锁群，遗传距离49467cM，物理覆盖度~875Mb；GC含量37%；592Mb组装的contigs归功于TEs，其中classI TEs 9.99%，classII TEs为17.53%；52610个蛋白编码基因。非蛋白编码基因包括1012个rRNA，3622个tRNA和914个microRNA基因。

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注：C.carpio 50条组装的染色体轮廓图。a. 遗传连锁图谱；b. 遗传标记与组装的scaffold锚定；c. 组装的染色体；d. 每条染色体基因分布；e. 10kb滑动窗口GC含量；f. 10kb滑动窗口重复成分。

2. 基因组进化：

C. carpio具有100条染色体，约为其他鲤科鱼类的两倍，可能发生过TSGD事件或三轮WGD事件，C. carpio被认为是经历了多一轮的基因组复制（4R）和四倍体化；检测到50个二价染色体说明，其不是真正的四倍体物种；将52610个高可信度基因比对到50个C. carpio和D. rerio染色体上，鉴定了8002个直系同源基因对（具有明显的2对1的直系同源关系）；同时也发现了很多微小的染色体重排；此外还鉴定了2114个最佳匹配旁系同源基因对，并在25对染色体上构建了ohnologous blocks。

为进一步分析4R WGD事件后的四倍体特性，分析了C. carpio hox基因簇，其数量为D. rerio两倍，与大西洋鲑鱼Salmo salar（同源四倍体物种）数量相同。

为确定鲤鱼4轮WGD事件的时间，利用总5783个基因家族，计算同义替换率，估计最近一轮同义替换率发生在8.2MYA，鲤鱼和斑马鱼分化时间为128MYA，最近的WGD事件发生在C. carpio 和D. rerio分化很久之后，4dtv分析也为额外的一轮WGD提供了证据。

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注：比较分析鲤鱼基因组。a. 依据8002个直系同源基因对普通鲤鱼50条染色体和25个斑马鱼染色体进行Map，证明了两个物种高度保守同线性和普通鲤鱼基因组六倍化；b. 依据相互最佳匹配关系，普通鲤鱼染色体间相互关系图；c. 种内和中间同源基因同义替换率分布；d. 4dtv分析鲤鱼第三和第四次基因组复制；e. Ciona 和其他五个硬骨鱼和六个四足动物基因池比较。

3. 遗传多样性

为研究鲤鱼遗传多样性，对33个代表性鲤鱼品系进行重测序，包括4个野生群体中的13个品系，6个驯化品种中的20个品系。结果显示欧洲和亚洲品系形成2个明显的分支，主成分分析也证明类似结果，亚洲品系成为紧密一簇从欧洲品系中分离出来；此外，美国品系从欧洲和亚洲分支中分离出来；

比较Hebao和Songpu基因组鉴定基因组差异，发现205基因组区域具有高遗传多样性，包含326个预测基因，GO和KEGG分析这些基因很大部分与表皮形态发生，毛囊形态发生，色素沉着和免疫反应有关；

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注：基于重测序数据对十个鲤鱼品系基因组的遗传分析。a.基于SNP对十个普通鲤鱼进行最大似然性系统发育树构建；b. 鲤鱼品系PCA分析；c. 普通鲤鱼品系群体结构。

4. 皮肤转录组比较分析

比较Hebao和Songpu皮肤转录组，阐明鱼鳞特性和皮肤颜色差异成因，结果发现许多差异基因与Wnt/β-连环蛋白信号途径有关（毛囊发育起始的关键途径）；同时也发现了溶质载体家族slc7a11基因表达差异（将胱氨酸转运到黑色素细胞）。

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注：比较两个鲤鱼品系多样性分布。a.典型的Songpu和Hebao鲤鱼；b.KEGG pathway分布基因；c.34号染色体多样性分布显示Songpu和Hebao在fgfr1a1基因第11个外显子上，Songpu有78bp缺失。d. 色素合成途径分析。

Xu P, Zhang X, Wang X, et al. Genome sequence and genetic diversity of the common carp, Cyprinus carpio[J]. Nature genetics, 2014, 46(11): 1212-1219.