单性生殖下的同源重组？Nature子刊：双三倍体银鲫基因组解剖，解开银鲫单性生殖成功的演化谜团

单性生殖缺乏减数分裂同源重组，导致有害突变积累以及阻碍遗传多样性产生，所以单性生殖通常被认为是演化的死胡同。有趣的是，有些单性生殖鱼类和爬行类存在时间已经远超出其预测的灭绝时间，且展现出很高的遗传多样性和很强的环境适应性。然而，脊椎动物单性生殖的演化机制尚不清楚。

2022年7月11日，中国科学院水生生物研究所桂建芳院士团队、西北工业大学王文教授团队、华大基因团队及多个资深专家于Nature Ecology & Evolution发表题为“Comparative genome anatomy reveals evolutionary insights into a unique amphitriploid fish”的文章。该研究以六倍体雌核生殖银鲫为研究对象，解开了银鲫生殖成功的演化谜团。

文章报道封面图：双二倍体鲫和双三倍体银鲫（双二倍体鲫由余鹏拍摄，双三倍体银鲫由孙慧拍摄）

主要研究成果

01

银鲫基因组解剖

研究团队对有性生殖四倍体彩鲫（crucian carp：Carassius auratus）和雌核生殖六倍体银鲫（gibel carp：Carassius gibelio）两个近缘物种进行了全基因组测序，组装成染色体水平的基因组：它们的单倍型均含有50条染色体，包含两套亚基因组（25条染色体来自于亚基因组A，另外25条染色体来自于亚基因组B）。通过测序深度和SNPs的reads深度频率分析发现，四倍体彩鲫是双二倍体（amphidiploid：AABB），六倍体银鲫是双三倍体（amphitriploid：AAABBB）。特异TE分析证明了每套亚基因组源自不同祖先。

图1 a）银鲫和彩鲫共线性关系；b）银鲫和彩鲫亚基因组特异TE；c）每个染色体等位基因频率；d）等位基因测序深度；e）每个染色体单倍型测序深度

02

银鲫的双三倍体起源

文章对A亚基因组和B亚基因组及其他近缘物种构建进化树，结果发现B亚基因组和鲮（Cirrhinus molitorella）及云南吻孔鲃（Poropuntius huangchuchieni）有更近的亲缘关系，与前人的研究一致。A祖先和B祖先分化时间约为1950万年前，两个祖先异源加倍形成双二倍体的时间为1017至1287万年前之间，银鲫和彩鲫分化时间约为96万年前。通过不同品系双二倍体彩鲫和双三倍体银鲫重测序数据证明，约82-96万年前，双三倍体银鲫由祖先双二倍体鲫经同源三倍化而形成，是目前已知最为古老的三倍体单性繁殖脊椎动物之一。 

图2 左：A和B亚基因组进化树；右：a）多样品PCA分析；b）多样品进化树；c）银鲫和彩鲫的进化过程图解

03

银鲫生殖相关基因的进化

双三倍体银鲫通过雌核生殖克服三个同源染色体不能正常配对和均等分离的生殖障碍。通过细胞学观察，研究团队发现银鲫通过抑制减数第一次分裂而产生不减数的卵子。通过比较基因组学分析，研究团队还发现减数分裂尤其是细胞周期相关基因以及一个卵母细胞特异组蛋白变体h2af1al在雌核生殖银鲫中发生了大量扩张，这可能与其特殊的卵子发生行为有关。

图3 a）彩鲫和银鲫的初级卵母细胞和成熟卵DNA含量比较；b）二价和单价染色体数量比较；c）图解比较两种鱼的卵子发育过程；d）银鲫显著扩张基因；e）组蛋白h2af1al在卵细胞各时期转录组中的表达；f）银鲫卵子减数分裂调控通路相关基因的显著扩张

04

银鲫单性生殖成功的探究

银鲫具有较强的环境适应性以及基因组低于预期的杂合率，这和人们对单性生殖物种的普遍认识是不一致的。研究人员进行了一个长达五年的家系培养实验，通过对第四代11个个体进行重测序分析，发现这些银鲫个体中有许多区域出现了杂合度丢失的现象，基因组中LOH（Loss of Heterozygosity）的频率达到了每位点1.49×10⁻⁴次，远高于前期研究报道的某些单性生殖物种。

图4 a）彩鲫和银鲫的杂合率比较；b）多样品在染色体上的LOH位点聚类图；c）、d）样品G4-9上Chr22B染色体的LOH位点展示

进一步，研究人员在银鲫卵子成熟过程中检测到偶发的同源重组事件，甚至某些卵细胞具有很高的重组发生水平。同源重组产生的基因转换为银鲫的高LOH率提供了有力的细胞学证据。这些发现在一定程度上解释了双三倍体银鲫清除有害突变以及维持基因组稳定性的原因。

图5 a）彩鲫减数分裂和银鲫类减数分裂过程的免疫组化检测；b）Rad51-positive卵细胞在两种鱼不同分裂时期的数量变化；c）银鲫两个卵细胞中观察到较多的同源重组信号

Sycp3：联会复合物侧轴蛋白，Sycp1：联会复合物横向纤维蛋白，Rad51：同源重组酶

科技君点睛

该研究首次提出了双三倍体概念，解析的银鲫基因组是第一个双三倍体基因组，为单性多倍体脊椎动物生殖成功的演化机制提供了新的见解，同时也为促进银鲫精准遗传育种提供了宝贵资源。

水生所汪洋、李熙银、陈燕，西北工业大学许文杰、王堃，华大基因吴斌、徐猛为并列第一作者，桂建芳院士、周莉研究员、王文教授、方晓东教授为共同通讯作者。

撰稿：吴斌、李熙银、汪洋、王堃

编辑：市场部

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