PNAS:中外科学家合作揭示异源四倍鲫鲤品系遗传特性
近日，国际著名期刊《美国国家科学院院刊》上在线发表中国科学院昆明动物研究所研究员、中国科学院院士张亚平、湖南师范大学教授刘少军和德国康斯坦斯大学教授Axel Meyer联合团队的一篇研究文章，文章揭示了异源四倍鲫鲤品系遗传特性。参与本次研究的成员包括云南大学副教授罗静、云南大学/中科院昆明动物所联合培养博士生柴静、湖南师范大学博士任力和周毅、云南大学博士生黄峰和硕士生刘小川等。张亚平院士、刘少军教授和Axel Meyer教授为论文共同通讯作者。
自然界中存在大量的多倍化植物，在有花植物中，大约70%都是多倍体。而在现生脊椎动物中仅有部分鱼类和两爬中存在多倍体现象。为何多倍体脊椎动物数目远比多倍体植物较少至今仍是谜。
为了探讨这一重要问题，张亚平教授和湖南师范大学教授刘少军分别发挥他们在基因组进化分析和远缘杂交研制多倍体鱼品系等方面的优势，开展异源四倍鲫鲤品系遗传特性研究。他们利用二倍体红鲫(Carassius auratus red var., 2n = 100)为母本及二倍体鲤鱼(Cyprinus carpio L, 2n = 100)为父本进行属间远缘杂交建立的两性可育的鲫鲤杂交品系为研究对象。该杂交品系的F1和F2为二倍体杂交鱼(2n=100);部分雌、雄二倍体F2个体能分别产生不减数的二倍体卵子和二倍体精子，它们受精在F3中形成了雌、雄异源四倍体鲫鲤个体(4n=200)，F3自交形成了F4异源四倍体鲫鲤群体;经过连续繁殖，目前已繁殖到了F25，形成了一个两性可育、遗传性状稳定、四倍体性能代代相传的异源四倍体鲫鲤(4n=200)品系(F3-F25)。该两性可育的杂交品系的建立打破了物种间生殖隔离，是国际上首次通过属间远缘杂交获得的脊椎动物四倍体品系。该系的建立不但为研制三倍体鱼在生产上的大规模应用提供了宝贵的四倍体亲本，而且为研究远缘杂交及四倍体化在生物进化中的作用提供了重要的模型。
以红鲫和鲤鱼的基因组为参考，他们对该远缘杂交品系中的双亲及杂交4个世代(F1，F2，F18和F22)的肝脏转录组进行了系统的研究。发现在四个世代中有9.67%–11.06%的基因属于来源于母本鲫鱼和父本鲤鱼的嵌合基因，其中一些基因(如CSNK, CDC, RAD, UBE等)参与了细胞周期调控，或与通过重组进行DNA损伤修复等功能相关;推测嵌合基因的产生与基因重组时大范围的DNA修复、非同源末端连接和转座子活性有关，也可能与基因大环错配修复过程中基因复制滑动和非配对复制的非精确剪切有关。嵌合基因的富集情况显示，部分嵌合基因集中分布在与突变形成和修复相关功能的信号通路中。检测到1.02%–1.16%的基因存在杂交子代特异性变异。他们还发现杂交二倍体F1和F2与父本鲤鱼的表达谱类似，而基因组加倍后的杂交四倍体F18和F22与母本鲫鱼的表达谱相似;这表明杂交二倍体和杂交四倍体在基因表达方面存在显著差异;基因表达的差异可能与突变、细胞凋亡程序调控等相关。
鲫鲤杂交品系经历了远缘杂交和四倍体化过程，不同物种的基因组合并而产生的基因组休克效应，这可能是脊椎动物中多倍体较少的原因之一。研究结果提示，在多倍体化的初始阶段，多倍体鱼的基因结构、基因表达发生变化，并伴随着比植物多倍化持久的基因组休克效应等综合因素都有可能导致多倍体个体较少。另外由于基因组休克效应等因素导致二倍体F2的存活率非常低也可能是脊椎动物中多倍体较少的原因之一。
原文链接：
Genomic incompatibilities in the diploid and tetraploid offspring of the goldfish × common carp cross
原文摘要：
Polyploidy is much rarer in animals than in plants but it is not known why. The outcome of combining two genomes in vertebrates remains unpredictable, especially because polyploidization seldom shows positive effects and more often results in lethal consequences because viable gametes fail to form during meiosis. Fortunately, the goldfish (maternal) × common carp (paternal) hybrids have reproduced successfully up to generation 22, and this hybrid lineage permits an investigation into the genomics of hybridization and tetraploidization. The first two generations of these hybrids are diploids, and subsequent generations are tetraploids. Liver transcriptomes from four generations and their progenitors reveal chimeric genes (>9%) and mutations of orthologous genes. Characterizations of 18 randomly chosen genes from genomic DNA and cDNA confirm the chimera. Some of the chimeric and differentially expressed genes relate to mutagenesis, repair, and cancer-related pathways in 2nF1. Erroneous DNA excision between homologous parental genes may drive the high percentage of chimeric genes, or even more potential mechanisms may result in this phenomenon. Meanwhile, diploid offspring show paternal-biased expression, yet tetraploids show maternal-biased expression. These discoveries reveal that fast and unstable changes are mainly deleterious at the level of transcriptomes although some offspring still survive their genomic abnormalities. In addition, the synthetic effect of genome shock might have resulted in greatly reduced viability of 2nF2hybrid offspring. The goldfish × common carp hybrids constitute an ideal system for unveiling the consequences of intergenomic interactions in hybrid vertebrate genomes and their fertility.
作者：生物帮
