翘嘴鳜(Siniperca chuatsi)与大眼鳜(Siniperca knerii)基因组组装以及群体历史研究

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鳜属鱼类是东亚地区特有的一种具有较高经济文化价值的鱼类,有着悠久的历史文化沉淀,在历史上常有记载。其中翘嘴鳜是中国重要的淡水经济鱼类,在2016年年产量突破30万吨,年产值超200亿元。鳜类大部分物种都是中国特有种,其中翘嘴鳜现分布于长江、珠江、闽江、九龙江、钱塘江和黑龙江等水系,是一种在中国北方与南方都有分布的物种,而大眼鳜现分布于珠江、闽江、九龙江、长江和淮河水系,是中国的南方种类。早先我国鳜属鱼类野生种群资源较为丰富,但是自上世纪70年代起,由于过度捕捞,水体污染等因素,鳜属鱼类野生种群数量急剧下降,长江以北大部分地区种群都面临着绝迹的危险。鳜属鱼类是淡水水系中的顶级掠食者,对于研究东亚鱼类的物种起源与进化历史都有较高的价值,所以对于鳜属鱼类的物种鉴定、分类学和养殖育种等方面已有较长的研究历史。但是对于这一群体本身的完整遗传信息与种群历史我们却缺乏足够的了解,尤其在全基因组数据上缺失较多,给遗传相关的研究带来了诸多不便。其次种群历史研究的缺失也使得在地质历史对该物种的影响方面缺乏了解。除了对于鳜鱼本身的研究,鱼类基因组组装也面临着诸多困难,例如重复序列含量高,基因组组装长度较短等。对于上述问题,我们进行了以下三个方面的研究。第一部分是翘嘴鳜(S.chuatsi)与大眼鳜(S.knerii)基因组的组装。对于鳜属鱼类,至今还未有全基因组数据的报道,这导致群体历史和比较基因组等研究方向缺少完整的基因组数据支撑。本研究使用大片段DNA,通过10X Genomics建库技术建立包含数十万个大片段DNA信息的文库,使用NGS测序获取高准确度的序列信息,最终使用de Burijn Graph算法,结合大片段DNA信息,获得高质量翘嘴鳜与大眼鳜的全基因组物理图谱。通过以上步骤,对于翘嘴鳜和大眼鳜,我们分别获得了 Scaffold N50值为2.09 MB和12.64 MB的高质量基因组,基因组大小分别为678.99 MB和677.73 MB,重复序列含量分别为16.33%与5.41%。通过BUSCO软件对基因组进行评估,对于翘嘴鳜和大眼鳜,分别组装得到90%和97%的完整BUSCO基因。结果显示,得到的基因组无论在长度还是基因结构完整性上都有很高的水平。在获得高质量基因组之后,通过注释,在翘嘴鳜中得到32109个基因,在大眼鳜中得到28440个基因,对于两个基因组,都有超过90%的基因在数据库中至少得到一个功能注释结果。第二部分是基于10X Genomics的基因组组装方法优化与该技术使用范围的探究。10X Genomics是基于微流控技术,用油脂将数百万个大片段DNA(>50 kbp)与反应体系包裹在一起,形成100万左右的微小液滴,每个液滴都是一个独立的扩增反应体系。10X Genomics独特的地方是在形成这些反应体系中,每一个液滴都有独立的寡聚核苷酸标签(Barcode),通过这些标签可以追溯到它们来自于哪一个大片段,使用这些信息形成短序列链接(Link-reads),最终可以获得大片段DNA的信息。然而对于该技术的使用范围与能力极限,未见文献进行报道,在官方文档建议中也未找到相关信息。所以我们在此技术的基础上,首先对基因组组装进行优化。我们先使用官方建议的大片段DNA添加量与软件参数进行组装,之后对于这两项都进行梯度测试。最终得到结果为:对于鳜属鱼类添加0.16 ng大片段DNA,使用60倍基因组大小的reads输入为最佳。在优化之后,对于测序所得的数据进行进一步分析,最终得到该技术对于重复序列含量较高的基因组组装质量较差,但优于单纯的短片段测序组装;对每个Barcode中的大片段DNA,最多仅可达约6倍测序深度,无法组装出完整的50 kb大片段。在扩增反应时间方面,随着反应时间增长,液滴破裂程度也随之加深,3小时反应将会有20%的液滴发生破裂,5小时反应时间将会有40%的液滴破裂。这些结果为10X Genomics技术的使用提供了优化方向,可以更好的适用于鱼类基因组研究。第三部分我们研究了大眼鳜的群体历史。我们使用PSMC算法对大眼鳜群体历史进行研究。该算法基于杂合基因的最近共同祖先,在过去某一时刻,若种群数量大,则该时刻共同祖先基因就会更多。大眼鳜主要分布在长江以南,该地区有一段著名的冰河时期——大理冰期,该冰期持续时期为5.7万年前至1.6万年前。我们通过PSMC算法计算得到,在大理冰期时期,大眼鳜种群数量发生了一次显著的下降,并在冰期过后出现种群数量上升。这一结果同时也满足避难所假说,我们可知在大理冰期时大眼鳜仅分布在中国南部少数环境适宜的的地方,在冰期过后才在此扩散至整个南方水系。该项研究首次揭示了大眼鳜的群体历史信息,对于该物种演化历史、遗传结构和群体结构等方面提供了有力的数据支持。
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