异源四倍体鲫鲤及其亲本的分子遗传关系研究

本项目在世界上首次通过红鲫和鲤鱼的属间远缘杂交获得两性可育并形成异源四倍体鲫鲤群体（F3-F17）的基础上，利用该四倍体鱼的遗传体系及其清晰的父母本遗传背景来研究脊椎动物多倍化早期物种形成过程中在基因组可塑性、基因表达与控制等方面的变化差异。申请者将通过高通量测序等生物学方法获得异源四倍体鲫鲤和相关亲本的转录本，以及作为参考序列的亲本不同关键组织中的cDNA序列，同时建立异源四倍体鲫鲤基因组BAC文库及通过测序获得相关基因的DNA序列，在cDNA和核DNA水平对异源四倍体鲫鲤及其亲本的转录本、基因组等分子遗传关系进行系统的比较研究，找到二倍体鱼变成四倍体鱼后的分子进化特征；探讨异源四倍体基因组如何迅速达到稳定、基因表达及调控水平的规律，拟为脊椎动物多倍化物种形成的规律及其后的适应性演化机制取得创新性的贡献。该项目在生物进化和鱼类遗传育种方面都具有重要意义。

本项目在世界上首次通过红鲫和鲤鱼的属间远缘杂交获得两性可育并形成异源四倍体鲫鲤群体的基础上，利用该四倍体鱼的遗传体系及其清晰的父母本遗传背景，针对脊椎动物多倍化基因组初期事件及变化，开展一系列研究并取得了以下研究进展：（1）成功构建了红鲫，鲤鱼及其杂交子代（包括鲫鲤2nF1，鲫鲤2nF2，鲫鲤4nF18，鲫鲤4nF22的3个个体，共4个世代8个体）肝脏cDNA文库；运用454和Illumina平台，对上述8个个体进行了高通量测序并获得了大量肝脏转录组数据；结合相关生物信息学软件对获得的上述鱼的转录组数据进行了组装拼接；（2）应用相关生物信息学软件和数据库，对上述8个个体的转录组序列进行了一系列分析：对所获取的序列进行了基因名称和功能注解、分析及分类，进行了转录后表达水平的比较及鱼类进化分析；研究结果表明杂交后代中一些同位基因仅表现出来自于母本，另外一些仅表现出来自于父本，更有趣的是，有一些基因表现出嵌合情况即重组基因，这一现象表明杂交来源的多倍体个体在早期多倍体化后，基因通过重组和非同义替换加快了物种的分化；（3）分别对构建好的鲤鱼和四倍体鲫鲤精巢的cDNA文库进行了转录本测序和综合比较分析，为进一步研究异源四倍体的精子产生机制奠定了基础；（4）构建了异源四倍体的BAC文库并随即挑选了14个BAC克隆进行了全长测序，共获得592.126kb序列。通过预测共发现16个功能基因，利用长PCR技术扩增红鲫，鲤鱼和四倍体DNA共获得7个基因的比较序列。通过序列的比较分析，表明四倍体鲫鲤不但继承了双亲的遗传物质，而且产生了很多基因组的变异，与转录组的相关研究结果一致；在四倍体鲫鲤中发现了一个特异的iqca1基因序列，该基因序列在双亲中均不存在。结果表明杂交或四倍化能够诱导异源多倍体动物基因组的快速变异；（5）从表观遗传学的角度对异源四倍体鲫鲤的分子生物学特征进行了研究，结果表明DNA甲基化参与了异源四倍体鱼基因组及基因序列调控，从而控制发育并有利于该杂交多倍体群体的稳定和进化。项目的实施不仅为脊椎动物异源多倍化基因组初期的变化规律提供了非常有趣的信息，也为下一步继续深入研究异源多倍化体系奠定了良好的基础。我们共发表了22篇论文，其中SCI论文18篇；相关研究成果被评为国家科技进步二等奖等奖励；获得了国家发明专利10项；项目共培养毕业博士生16名、硕士生23名，培养博士后2名。