高效解密鱼类嗅觉受体进化，比较基因组学这样用！
华中农业大学水产学院王卫民教授团队与华大基因等单位合作构建了团头鲂（武昌鱼）的染色体水平基因组，并基于比较基因组学研究探究了不同食性鱼类嗅觉受体（ORs）的进化历程，深化对鱼类嗅觉的认知，为鱼类定向育种提供理论和数据支持。研究结果于日前在线发表（点击页面下方“阅读原文”可查看）。
文章题目：A chromosome-level assembly of blunt snout bream (Megalobrama amblycephala) reveals an expansion of olfactory receptor genes in freshwater fish
发表期刊：Molecular Biology and Evolution
发表时间：2021年5月18日
影响因子：11.062
主要研究团队：华中农业大学、华大基因、乌普萨拉大学等
研究背景
嗅觉是动物最重要的感觉系统之一。ORs主要在鼻腔嗅上皮中表达，可分辨各种不同的气味分子，在食物选择、有毒物质识别及躲避天敌中扮演着重要角色。ORs是脊椎动物中最大的基因家族之一，尤其是哺乳动物，其数目占整个基因组基因总数的5%，哺乳动物嗅觉受体进化与其食性密切相关，不同食性动物之所以能识别和区分成千上万种不同的气味，这与其基因组中ORs的数目有关。
脊椎动物中的OR基因分为9个亚科，α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ和κ。大多数哺乳动物的OR基因属于α 和λ亚科，被称为“哺乳动物样”基因，对空气中的气味有反应。而鱼类OR基因属于δ、ε、ζ和η亚科，被称为“鱼样”基因，对检测水溶性气味如氨基酸、胆汁酸、性腺类固醇和前列腺素等。β亚科OR基因同时存在于水生和陆生脊椎动物中能同时感受空气和水中的气味。鱼的嗅觉系统对与摄食、繁殖、躲避捕食者和气味导向迁移相关的行为至关重要，之前OR基因的研究主要集中于基因鉴定，本研究通过构建武昌鱼的基因组并与其他27种硬骨鱼类进行比较基因组学研究，验证鱼类OR基因与栖息地和摄食习性的相关性。
研究方法
材料选择：团头鲂（武昌鱼）
基因组组装：Pacbio 长读长+短读长测序组装；
RNA-Seq：武昌鱼嗅觉上皮细胞 (OE)、全脑 (B) 和嗅球(OB) 样本的RNA-seq
研究结果
01
基因组组装结果
武昌鱼基因组大小1.11 Gb，contig N50 ~2.4M， scaffold N50 ~3.2M。经BUSCO评价，组装结果完整性96.1%，并利用遗传图谱将组装结果锚定到24条染色体上。
在武昌鱼24条染色体和斑马鱼25条染色体间不存在大的染色体易位，武昌鱼的Chr2和斑马鱼的Chr10 和Chr22相关。
图1 团头鲂与斑马鱼基因组共线性分析。从内圈到外圈：绿色柱子代表OR基因；蓝色柱子代表50Kb滑动窗口内的GC含量；橙色柱子代表每条染色体上基因的分布；灰色柱子代表遗传连锁图谱。
02
OR基因与鱼类习性的相关性研究
鉴定武昌鱼和其它27种硬骨鱼类的嗅觉基因家族，这28种鱼类涵盖了19个不同的目。经过广泛的同源性搜索和手工筛选，我们鉴定了4,288个OR基因，并将它们分为三类，其中完整基因3,253个，不完整基因122个和假基因913个。根据完整基因组的氨基酸序列构建进化树，OR基因被划分为α, β, γ, δ, ε, ζ η, θ 和 κ亚科。不同鱼种包含的各个亚科的基因数量差异比较大。
图2 28个鱼种进化树和OR基因数量。(A)进化树。武昌鱼已用红字标识，栖息地和摄食习性也分别进行了标识。柱子的长度代表OR基因的数量。(B) 28个鱼种中不同亚科OR基因的数量。红、黄、蓝分别代表完整基因、不完整基因和假基因。“Water”、“Air” 和 “Water/Air” 代表识别水溶性、空气中和二者兼有气味。
研究硬骨鱼中OR基因数量的进化动态发现OR基因的获得和缺失在每个分类学分支上都经常发生。两个物种即使OR基因数量相同，但是OR基因类型仍存在很大差异。研究OR基因和生态因子（包括栖息地：海水、淡水或二者皆可；摄食：食肉、杂食或食草）的关系发现β、ε和ζ亚科的OR基因数量在淡水鱼中明显高于海鱼。草食性鱼类β亚科OR基因的数量明显高于肉食性鱼类和淡水海水皆可生存的鱼类。
图3 不同习性鱼类间OR基因亚科比较。(A) 完整OR基因与生态因子的PGLS回归分析结果。(B) 不同生态位的鱼类完整OR基因数量的比较。Mar代表海鱼；Fre代表淡水鱼；Both代表海水或淡水皆可生存的鱼。
对164个β和161个ε亚科的OR基因进行系统发育分析，发现本研究中大多数的鱼类有1-2个拷贝的β亚科OR基因，而所有的耳鳔派鱼类β亚科OR基因发生了扩张（平均>10）。同样，ε亚科的OR基因也独立复制了多次，并且这些β和ε亚科OR基因受到了正选择。
图4 28个鱼种中β和ε亚科OR 基因分子进化分析。属于同一个目的鱼用相同颜色标记；分枝上的红色粗体虚线代表有经历正选择。
选择武昌鱼的嗅觉上皮细胞 (OE)、全脑 (B) 和嗅球(OB) 进行RNA-seq研究，同时将斑马鱼OE和欧洲鳗OE的RNA-seq数据一起分析，发现绝大多数的候选OR基因在OE中表达。在武昌鱼中，OR基因在脑和嗅球中不表达，而223个完整OR基因中207个在嗅觉上皮细胞中表达。
图5 武昌鱼和斑马鱼OR基因的表达分析。A、武昌鱼9个RNA-seq文库，其中3个嗅觉上皮细胞 (OE)、3个全脑 (B) 和3个嗅球(OB) 文库；斑马鱼3个OE的RNA-seq文库；欧洲鳗9个OE的RNA-seq文库。红色字代表表达的OR基因数量，黑色字代表各亚科完整基因数量。
结论
本研究基于比较基因组学探究了不同食性（草食性、肉食性、杂食性和滤食性）的28种硬骨鱼类ORs的进化历程，发现肉食性鱼类总ORs拷贝数显著低于草食性鱼类，淡水草食性鱼类特异性扩张ORs的β和ε亚型，这种扩张受到正选择压力驱使。通过对代表性鱼类的嗅觉器官转录组测序与分析，发现绝大部分ORs表达，这一结果揭示了不同食性鱼类ORs的进化历程及其与食性的相关性，阐明了草食性鱼类和肉食性鱼类ORs的遗传基础。
本研究华中农业大学水产学院刘寒副教授为论文的第一作者，王卫民教授和瑞典乌普萨拉大学Leif Andersson教授为论文的通讯作者。华大基因（BGI）陈春海、胡亚飞等人参与基因组组装注释和进化分析。
华大基因已经成功完成1000多个物种的全基因组从头测序，合作发表顶级期刊文章218篇，封面文章26篇，均为全球领先；PacBio/ Nanopore/DNBSEQ/Hi-C/stLFR等多平台、多技术搭配，提供个性化组合方案，解决组装难题；分析人员从业时间久、资历深、经验丰富，精通基因组产品相关的各种分析，为项目的顺利交付保驾护航。
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