基于全基因组测序和重测序的鲇雄性性别连锁分子标记开发

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鲇(Silurus asotus)又称小口鲇,本地鲇,隶属于鲇形目(Siluriformes)、鲇科(Siluridae)、鲇属(Silurus),是一种重要的淡水经济鱼类,主要分布于东亚地区(从俄罗斯远东、朝鲜半岛、日本到中国)。中国广泛养殖,年产量约36.5万吨。鲇具有明显的性别二态性,表现为雌鱼比雄鱼有更快的生长速率和更大的体型,因此,水产上全雌化养殖能显著提高经济效益。但是全基因组序列信息和快速准确的性别特异性分子标记的缺乏给优良品种选育、性控育种和性别决定研究带来了极大的困难。因此,亟需筛选出鲇的性别连锁分子标记并将其应用于鲇人工养殖的辅助选育过程中,实现鲇的全雌化养殖。本研究中,我们综合利用Illumina、Nanopore和Hi-C等技术,测序组装获得高质量XX和XY个体全基因组序列,结合雌雄混合池的重测序,确定了鲇的性染色体和性别决定区间,筛选出多个性别连锁分子标记,为在基因组水平上解析鲇经济性状的遗传基础、开展全基因组选择育种和分子标记辅助育种奠定基础。主要研究工作及结果如下。1、鲇染色体水平的基因组图谱构建。首先利用二代测序技术对鲇基因组大小和杂合度进行评估。测序得到的44.76 Gb高质量XX Illumina序列,经k-mer分析得出鲇XX个体基因组大小为772.19 Mb,杂合度为0.7%,GC含量为38.84%。利用Nanopore三代测序平台,XX和XY分别获得76.08 Gb和63.96 Gb的有效数据,基因组覆盖度约为100×,测序平均读长分别为24.53Kb和21.94Kb。经组装、纠错和去冗余之后,获得基因组大小分别为757.15 Mb和755.44 Mb,contig N50分别为15.37 Mb和15.13 Mb。BUSCO评估结果分别为93.43%和93.70%,说明具有较高的完整性。然后利用77.10 Gb的Hi-C测序数据将XX的contig挂载到29条染色体上,获得748.02 Mb的染色体水平基因组,挂载率为98.80%,得到的scaffold N50长度为28.87 Mb。对XX基因组进行注释,得到41.31%的重复序列。整合从头注释、同源预测和转录组预测三种方法共得到22,462个蛋白质编码基因,平均基因长度16,734 bp,平均基因编码区长度1,649 bp。其中,20,941个基因(93.22%)能在蛋白数据库中找到对应的功能注释,BUSCO评估基因完整性约94.37%。这些结果表明基因组组装和注释具有较好的完整性和准确性。2、鲇性染色体及性别决定区间的定位。将采自嘉陵江北碚段的8尾XX雌鱼与8尾XY雄鱼分别构建雌雄两个基因组混合池,并对雌雄混合池进行建库和重测序,原始数据过滤和质控之后,分别获得49.98 Gb和52.69 Gb的有效数据,包含343,648,097和357,364,707条reads。将这些reads比对到鲇XY参考基因组上,比对率分别为99.58%和99.52%。同时,将校正后的11.83 Gb XX雌鱼和11.30Gb XY雄鱼的Nanopore长reads也比对到XY雄鱼参考基因组上,比对率分别为98.60%和98.49%。根据比对结果,我们在contig13上的9.8-10.2 Mb发现了一段雄性特异性插入,表明这段区域是鲇的性别决定区域。共线性分析显示XY雄鱼contig13与XX雌鱼Chr.5高度同源,表明鲇的性染色体为Chr.5。3、鲇性别连锁分子标记的开发。根据上述比对得到的Y特异区域,我们设计了10对性别特异引物。第一轮PCR扩增以16尾北碚个体(8尾雌性和8尾雄性)为模板,筛选出6个雄性特异的分子标记(M1-M6)。为了验证这些分子标记的普适性,我们分别在30尾新乡个体(10尾雌性,20尾雄性)和60尾合川个体(28尾雌性,32尾雄性)中进行了PCR验证。结果表明只有分子标记2(M2)、分子标记5(M5)和分子标记6(M6)在这两个群体中适用。因此,通过对雌雄基因组测序和重测序数据的生物信息学分析,我们最终筛选出3个雄性性别连锁的分子标记,可用于不同野生群体的遗传性别鉴定。综上所述,本研究综合利用二代和三代测序技术,测序组装获得高质量鲇染色体水平基因组,并进行了基因组注释。结合雌雄混合池的重测序,成功定位了鲇性染色体及性别决定区间;筛选到3个普适性的性别连锁分子标记。本研究结果为开展鲇经济性状的遗传解析、性别决定的分子机制研究和性控育种等奠定了基础。
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