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基于基因组选择信号和DNA甲基化研究瓦氏雅罗鱼盐碱适应的遗传机制

基于基因组选择信号和DNA甲基化研究瓦氏雅罗鱼盐碱适应的遗传机制

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作者：王双毅上海海洋大学

学位级别：硕士

瓦氏雅罗鱼(Leuciscus waleckii)是一种广泛分布于东北亚地区的鲤科鱼类。瓦氏雅罗鱼具有极强的抗逆特性,尤其对高盐碱水体具有极强的耐受能力。其中瓦氏雅罗鱼达里湖种群能够在极端高盐碱(碱度=53.57mmol/L,p H=9.6)的湖泊环境下生存... 详细信息

瓦氏雅罗鱼(Leuciscus waleckii)是一种广泛分布于东北亚地区的鲤科鱼类。瓦氏雅罗鱼具有极强的抗逆特性,尤其对高盐碱水体具有极强的耐受能力。其中瓦氏雅罗鱼达里湖种群能够在极端高盐碱(碱度=53.57mmol/L,p H=9.6)的湖泊环境下生存并成为优势种。盐碱水体的高碱度、高p H等生境特点使瓦氏雅罗鱼达里湖种群进化出特殊的表型可塑性机制以降低或抵抗外界环境带来的不利影响,表型可塑性的背后是遗传变异与表观遗传变异同介导的内部调控机制。解析瓦氏雅罗鱼极端盐碱环境下的适应性遗传机制,对培育耐高盐碱新品种,推进我国水产养殖业可持续、高质量发展,具有重要的理论和现实意义。本研究首先从遗传变异角度解析适应性机制。分别采集了极端盐碱环境下的达里湖种群、邻近姊妹湖岗更湖淡水种群和松花江淡水种群共14尾个体,提取血样DNA进行高深度全基因组重测序(～52.87×),构建不同种群的遗传变异图谱,分析碱水种群与淡水种群之间的遗传多样性水平和遗传关系,通过消除空间背景差异,基因组选择信号扫描等分析方法鉴定瓦氏雅罗鱼达里湖种群在盐碱环境下基因组受选择区域及相关基因,并对受选择位点及关键调控基因进行选择压力分析。此外,为探索表观遗传变异(DNA甲基化)对瓦氏雅罗鱼盐碱适应表型可塑性的调控作用,对碱水种瓦氏雅罗鱼进行了碳酸盐碱度50mmol/L 10d的室内胁迫实验,以淡水暂养30d(FW)为对照,在胁迫的1d(AW1)、5d(AW5)、10d(AW10)分别提取鳃组织DNA利用全基因组重亚硫酸盐测序技术(～19.63×)分析全基因组单碱基分辨率DNA甲基化动态变化,并对不同组别(AW ***)启动子区差异甲基化区域及相关基因进行了比较鉴定。主要结果如下:1.使用全基因组重测序技术在三个种群中共检测到679.82Gb的Clean reads和38091163个高质量单核苷酸多态性位点;2.核苷酸多样性及种群遗传结构分析显示,瓦氏雅罗鱼达里湖种群相较于其他两个淡水种群具有相对较低的核苷酸多样性水平,并且与松花江淡水种群出现了不同的种群遗传结构;3.通过全基因组选择信号扫描在达里湖种群中发现了一系列与渗透调节(dlg1、vipr1、akt1和gnai1)、炎症与免疫应答(dlg1、brinp1、ctsl、traf6、akt1、stat3、gnai1、sec22b和psme4b)、心肌血管发育(traf6、psme4b、stat3、akt1和col9a1)相关的盐碱适应调控基因;4.通过不同的选择压力分析方法(Code ML、MEME和FEL)确定了盐碱适应调控基因血管活性肠肽受体1(VIPR1)基因的两个功能密码子位点(第455和456位)在达里湖种群中处于强正向选择。随后的蛋白质三维结构建模证实,这些选定的位点将导致达里湖种群对应基因编码蛋白质结构和功能发生变化,使达里湖种群VIPR1具有更高效的配体结构域。5.绘制瓦氏雅罗鱼鳃组织胁迫不同天数全基因组DNA甲基化动态图谱。基因组功能元件显示动态环境下启动子区域DNA甲基化水平从转录起始位点向侧翼区开始逐渐降低,在转录起始位点处达到低峰,随后上升并趋于稳定。***序列环境下不同组别(AW ***)差异甲基化区域锚定到启动子区的相关基因富集分析结果显示,AW1 ***组上调甲基化基因中大量代谢通路显著富集,包括嘌呤代谢、甘油酯代谢、氨基酸和核苷酸代谢等;下调甲基化基因主要富集在炎症与免疫应答等过程,包括泛素介导的蛋白质水解过程、PPAR信号通路、JNK/SAPK信号转导等。AW5 ***组上调甲基化基因与AW1 ***组类似,仍存在在大量代谢通路的富集,而下调甲基化基因则主要富集在渗透压调控通路中,包括矿质离子吸收、肾素-血管收缩素系统、钙重吸收等。在AW10 ***中,本研究没有检测到显著上调或下调的富集通路。本研究对瓦氏雅罗鱼盐碱表型可塑性的不同遗传基础进行解析。在全基因组范围内扫描瓦氏雅罗鱼不同种群基因组选择信号,筛选分析强选择信号区域下的盐碱适应性遗传变异位点,并进行室内盐碱胁迫试验,构建全基因组DNA甲基化动态图谱,筛选动态环境下DNA甲基化差异区域及基因。综合来看,瓦氏雅罗鱼盐碱适应表型可塑性的发生可能是遗传变异与表观遗传变异共同作用的结果。研究结果为培育耐高盐碱新品种提供理论指导。

关键词：瓦氏雅罗鱼极端盐碱环境表型可塑性基因组选择信号选择压力 DNA甲基化

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