全基因组测序：八倍体中华鲟亿年进化密码首次解锁

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鲟鱼类和匙吻鲟类都属于鲟形目，是最古老的鱼类之一，被称为水中“活化石”。可惜，它们熬死了那些大家伙，却因为一种叫鱼子酱的玩意被人类“吃”上了绝路。

如今，大多数鲟形目鱼类正在受到生存威胁甚至濒临灭绝。比如我们的国宝——中华鲟。这里需要和大家说明一下，中华鲟是国家一级保护动物，不可捕捞和食用，打个比方：如果中华鲟和大熊猫打架，大熊猫可能要被关起来。市场上的食用杂交鲟是通过其他鲟鱼杂交产生的后代，最常见的是达氏鳇和史氏鲟杂交。再次给小伙伴们强调一下：中华鲟不可以吃！不可以吃！不可以吃！市场上贩卖的是杂交鲟，不要被无良商家挂出来的标牌误导哦。

一、中华鲟全基因测序

要想更好地保护中华鲟，就得研究明白它是怎么来的，而这离不开基因组信息做支撑。全基因组序列是生命(mìng)的(de)字(zì)典(diǎn)，为(wèi)生(shēng)命科学理论和技术研究提供底层数据支撑。

基因组测序组装的难度随着倍性的增加指数性增(zēng)长(zhǎng)。相(xiāng)较(jiào)于包含46条染色体的二倍体人类基(jī)因(yīn)组(zǔ)，多(duō)倍(bèi)体(tǐ)的(de)中(zhōng)华(huá)鲟(xún)基(jī)因(yīn)组(zǔ)包(bāo)含(hán)264条(tiáo)染(rǎn)色(sè)体(tǐ)，染(rǎn)色(sè)体(tǐ)数(shù)量(liàng)是(shì)人(rén)类(lèi)的(de)5-6倍(bèi)，且(qiě)大(dà)约(yuē)一(yī)半(bàn)的(de)染(rǎn)色(sè)体(tǐ)是(shì)长(zhǎng)度(dù)小于20 Mb的微(wēi)染(rǎn)色(sè)体(tǐ)。因(yīn)此(cǐ)中(zhōng)华(huá)鲟(xún)全基因组测序、组装和注释的难度可想而知。

为了解读中华鲟的生命字典，研究团队采用Illumina和PacBio测序平台、高通量染色体构象捕获（Hi-C）测序技术，对雌核发育繁殖的雄性中华鲟DNA进行了测序，成功获得了高质量的中华鲟染色体级基因组组装。

这是迄今为止第一个全基因组测序的八倍体鲟鱼基因组，也是迄今为止第一个全基因组测序的八倍体脊椎动物基因组。通过基因组数据，研究团队揭示了中华鲟的复杂倍性成分和倍性形成的历史。

此外，研究人员通过结合中华鲟、小体鲟和匙吻鲟这三种具有代表性的鲟鱼的全基因组数据，综合评估了全基因组加倍后延迟二倍化的影响，从全基因组的角度对中华鲟的进化轨迹进行了新的解析。

二、中华鲟倍性和同源性

核型分析显示中华鲟有264条染色体，大约四倍于鲟形目共同二倍体祖先的60条染色体。因此，研究人员推测中华鲟为八倍体物种。

为了在基因组水平上进一步探索中华鲟的倍性，研究人员对正常繁殖的中华鲟进行测序。利用这些测序数据开展全基因组简单序列重复（SSR）和单核苷酸多态性(SNP)分析。SSR分析结果显示有SSR单个位点的最大等位基因数可达8个，意味着该物种有8条同源染色体。SNP位点的候选等位基因频率和倍性分析显示，中华鲟在SNP频率曲线上呈现出四个峰，二倍于四倍体(tǐ)小(xiǎo)体鲟的两个峰。另外，中华鲟的1/8候选等位基因频率位置检测到第一个峰，该峰主要指向8n倍性，这表明中华鲟八个单倍体具有很高的相似性，揭示了其八倍体特征。

为了进一步评估中华鲟的倍性组成，研究人员基于杂合k-mer（人(rén)为(wèi)定(dìng)义(yì)一(yī)段(duàn)长(zhǎng)度(dù)为(wèi)k个(gè)碱(jiǎn)基(jī)的(de)连(lián)续(xù)DNA片(piàn)段(duàn)）开(kāi)展(zhǎn)倍(bèi)性(xìng)成(chéng)分(fēn)分(fēn)析(xī)。结(jié)果(guǒ)显(xiǎn)示(shì)，中(zhōng)华(huá)鲟(xún)的(de)倍(bèi)性(xìng)组(zǔ)成(chéng)极(jí)其(qí)复(fù)杂(zá)，包(bāo)含(hán)4种八价体k-mer、1种六价体k-mer、2种四价体k-mer和的1种二价体k-mer，占比分别是：41%、3%、52%以及4%。高比例的八价体k-mer表明中华鲟基因组具有典型的八倍体特征。

此外，研究人员将中华鲟的分析结果与4种代表性且研究透彻的四倍体物种——北极茴鱼、小体鲟、紫花苜蓿和鲤鱼——进行了比较。

结果表明，与四倍体小体鲟相比，八倍体中华鲟可能经历了一轮额外的全基因组加倍，基因型发生重叠使观察到的倍(bèi)性(xìng)结(jié)构(gòu)更(gèng)加(jiā)丰(fēng)富(fù)。同(tóng)时(shí)，也(yě)发(fā)现(xiàn)包(bāo)括(kuò)AAAAAAAB、AAAAAABB、AAAAABBB和(hé)AAAB在(zài)内的同源多倍化特征比例在中华鲟中高达62%，意味着它是同源八倍体物种。

研究人员试图鉴定出同源序列之间的特异性转座元件，以确认中华鲟是否存在异源多倍化过程，然而没有观察到显著特异的转座元件，这排除了异源八倍体的可能性。

这些结果表明，中华鲟经历了同源全基因组加倍，即表明它是一个同源八倍体物种。

三、中华鲟的进化轨迹

全基因组加倍（或全基因组复制）在鱼类进化中非常普遍，这也是多倍体形成的主要原因，那么中华鲟经历了怎么的加倍过程才成为同源八倍体物种？

先了解一些全基因组加倍，加倍大家都能理解，斗地主的时候不加倍输20个豆，加倍输40个豆。

全基因组加倍是指一个生物体的整个基因组中的所有基因在同一时间点上发生复制，导致基因组大小加倍的现象。这是一种在进化过程中可能(néng)发(fā)生(shēng)的(de)基(jī)因(yīn)组(zǔ)演(yǎn)化(huà)事(shì)件(jiàn)，对(duì)于(yú)物(wù)(wù)种(zhǒng)(zhǒng)的(de)(de)遗(yí)(yí)传(chuán)多(duō)样(yàng)性(xìng)和(hé)复(fù)杂(zá)性(xìng)的(de)增(zēng)加(jiā)具(jù)有(yǒu)重(zhòng)要(yào)意(yì)义(yì)。

鲟(xún)形(xíng)目(mù)和(hé)硬(yìng)骨(gǔ)鱼(yú)都(dōu)经(jīng)历(lì)了(le)至(zhì)少(shǎo)3轮(lún)全基(jī)因(yīn)组(zǔ)加(jiā)倍(bèi)。包(bāo)括(kuò)约6亿年前发生的第一轮全基因组加倍（1R），以及发生在七鳃鳗和有颌脊椎动物分化后，有颌脊椎动物所特有的第二轮全基因组加倍（2R）。

随后，硬骨鱼经历了它们特异的第三轮全基因组加倍（Ts3R），而鲟形目则独自经历了自己特异的第三轮全基因组加倍（As3R），该事件发生在大约2.1亿年前。而中华鲟在约3500万年前，其祖先经历了额外的一轮特有的全基因组加倍（Ass4R），导致其同源八倍体形成。

鲟形目被认为经历了延迟二倍化，即一个物种在经历全基因组加倍事件后，又经过约数十万年、百万年或更长的时间后，才进行二倍化的方式。前一次加倍后的二倍化进程还未完成，紧跟着又发生全基因组加倍，导致中华鲟产生复杂倍性。

你可以想象成中华鲟祖先基因组是2副扑克牌（二倍体），加倍就意味着又放入2副相同的扑克牌，二倍化就是把相同的挑出来重新变成2副牌，延迟二倍化是加倍后等一段时间再(zài)挑(tiāo)，等(děng)了(le)一(yī)段(duàn)时(shí)间(jiān)开(kāi)始(shǐ)挑(tiāo)牌(pái)了(le)，正(zhèng)挑(tiāo)着(zhe)呢(ne)，这(zhè)些(xiē)牌(pái)又(yòu)一(yī)张(zhāng)变(biàn)两(liǎng)张(zhāng)了(le)，在(zài)此(cǐ)基(jī)础(chǔ)上(shàng)挑(tiāo)牌(pái)的(de)进(jìn)程(chéng)依(yī)然(rán)在(zài)进(jìn)行(xíng)。在(zài)挑(tiāo)牌(pái)过(guò)程(chéng)中(zhōng)可(kě)能(néng)有(yǒu)些(xiē)牌(pái)破(pò)损了、断裂了或被标记了。因此，最后的牌变成了一个很复杂的组合(hé)。

此(cǐ)外(wài)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)还(hái)发(fā)现(xiàn)了(le)一(yī)件(jiàn)有(yǒu)趣(qù)的(de)事(shì)情(qíng)。

众(zhòng)所(suǒ)周(zhōu)知(zhī)，全基(jī)因(yīn)组(zǔ)加(jiā)倍(bèi)事(shì)件(jiàn)与(yǔ)剧(jù)烈(liè)的(de)环(huán)境(jìng)(jìng)变(biàn)(biàn)化(huà)(huà)密(mì)(mì)切(qiè)(qiè)相(xiāng)关，如(rú)小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)撞(zhuàng)击(jī)和(hé)氧(yǎng)气(qì)浓(nóng)度(dù)、二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)浓(nóng)度(dù)或(huò)气(qì)温(wēn)剧(jù)烈(liè)变(biàn)化(huà)等(děng)。而(ér)地(de)质(zhì)历(lì)史(shǐ)中(zhōng)较(jiào)大(dà)的(de)小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)撞(zhuàng)击(jī)事(shì)件(jiàn)与(yǔ)本(běn)研(yán)究(jiū)中(zhōng)的(de)鲟(xún)形(xíng)目(mù)特(tè)异(yì)性(xìng)全基(jī)因(yīn)组(zǔ)加(jiā)倍(bèi)（As3R）和(hé)中(zhōng)华(huá)鲟(xún)特(tè)异(yì)性(xìng)全基(jī)(jī)因(yīn)(yīn)加(jiā)倍(bèi)（Ass4R）在(zài)发(fā)生(shēng)时(shí)间(jiān)上(shàng)很(hěn)好(hǎo)地(de)吻(wěn)合(hé)，我(wǒ)们(men)猜(cāi)想(xiǎng)小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)撞(zhuàng)击(jī)引(yǐn)起(qǐ)的(de)剧(jù)烈(liè)气(qì)候(hou)和(hé)地(de)质(zhì)变化可能通过影响中华鲟祖先的繁殖过程导致其两轮全基因组加倍。

三、研究的意义

在这项研究中，我们的研究人员完成了第一个八倍体动物的全基因组测序，揭示了中华鲟的倍性组成和全基因组加倍的进化历史。

中华鲟基因组的复杂化对其生存和繁衍既有积极的影响，也可能带来挑战。例如多倍体化通常会导致遗传多样性的增加，为物种提供更多的遗传变异，有助于适应不同的环境条件，提高生存率。就像长颈鹿进化出了长脖子，人类进化出了灵巧的双手和聪明的头脑。看过航海王的都知道，还有个家伙能做到二者兼具，他叫卡库。

但与此同时，对于中华鲟这样的濒危物种，基因组的复杂化会增加保护工作的难度。同时，多倍体物种的繁殖可能需要特定的环境条件或配偶选择。

如果这么说不好理解你就想象一下，你需要买到丈母娘要求的特定条件下的房子，才能选择与你老婆结婚生孩子。怎么样，是不是对中华鲟的困境感同身受了？

这当然会限制中华鲟人工繁殖和种群恢复的成功率。这些因素共同作用，决定了中华鲟在面对环境变化(huà)和(hé)人(rén)类活动压(yā)力(lì)时(shí)的(de)适(shì)应(yīng)能(néng)力(lì)和(hé)生(shēng)存(cún)前(qián)景(jǐng)。而(ér)该(gāi)研(yán)究成功完成的高质量基因组资源将为鲟形目物种遗传、进化和保护研究提供有力的信息支撑，并为其它多倍体脊椎动物基因组研究提供(gōng)了(le)重(zhòng)要(yào)参(cān)考(kǎo)。

好(hǎo)了(le)，看(kàn)到(dào)这(zhè)儿(ér)，你(nǐ)应(yīng)该(gāi)了(le)解(jiě)到(dào)中(zhōng)华(huá)鲟(xún)的(de)全基因组测序组装有多困难，研究团队相当于在动物基因组研究领域完成了一项庞大的“三峡工程”。

现在，很多人已经理解到生物多样性是地球生态系统的关键，对人类的生存环境至关重要。但如何高效、准确地保障生物多样性，需要我们的研究(jiū)人(rén)员(yuán)去(qù)解(jiě)开一个个基因密码。大自然进化出千千万万个瑰丽多样的物种，对他们来说，却是一个个等待去破解的黑箱。这项事业要做多久？我不确定，但我知道他们肯定不会放弃，不(bù)会(huì)停(tíng)止(zhǐ)。让(ràng)我(wǒ)们(men)一(yī)起(qǐ)为(wèi)从(cóng)事(shì)基(jī)因(yīn)研(yán)究(jiū)的(de)科(kē)研(yán)人(rén)员(yuán)们(men)加(jiā)油(yóu)吧(ba)！

附(fù)录：实验伦理声明

实验按照中华鲟研究所生物伦理和生物安全机构审查委员会的指导方针（批准号ZHX-20131211）进行。

本文为·创作培育计划扶持作品
作者：基因研究所

审核：赵序茅 兰州大学 青年研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司