利用生态基因组学方法解析金线鲃属鱼类体色性状演化的分子机理

The variability of coat color trait (including colors and color patterns) in animals has attracted much attention for a long time. The coat color trait in animals has become one of ideal phenotypic traits for addressing the molecular genetic basis underlying adaptive evolution of organisms. The fish genus Sinocyclocheilus is not only rich in species diversity and in morphology, but also displays a diverse range of coat colors. And thus this fish genus undoubtedly represents an excellent model system for studying the molecular mechanisms governing the variability of the coat color trait in animals. Little is so far known about the molecular mechanisms that underlie evolution of the coat color trait among the Sinocyclocheilus species. In this project, we will apply ecological genomics approaches that combine transcriptomics, population genetics, and other multidisciplinary techniques, to dissecting the molecular genetic basis of the coat color trait evolution among the Sinocyclocheilus species. We will conduct comparative transcriptome analysis, differential gene expression analysis of coat-color-associated genes (i.e. pigmentation genes), and scanning DNA sequence variations and detecting signatures of natural selection in these pigmentation genes between the cave-dwelling and surface-dwelling Sinocyclocheilus species. Working through this project, we will build the links between genotypes of the pigmentation genes and the coat color phenotypes, which will lay the foundations for disentangling the molecular mechanisms of speciation and adaptive evolution of the Sinocyclocheilus species and will also provide reference information for understanding the pathogenesis and treatment of human skin pigment diseases.

动物体色包括颜色和色彩斑纹的变异一直备受关注，动物体色已成为研究生物适应性进化的分子遗传基础的理想表型性状之一。金线鲃属鱼类不仅物种丰富、形态各异，而且体色的多样化程度非常高，因此该属鱼类无疑是研究动物体色变异的分子机理的绝好模式系统。而目前关于金线鲃属鱼类体色性状演化的分子机理却知之甚少。本申请项目拟采用结合转录组学、群体遗传学等多学科手段的生态基因组学方法来解析金线鲃属鱼类体色性状演化的分子遗传基础。在该属洞穴类型与地表类型物种间开展皮肤组织的比较转录组分析、色素相关基因的RNA表达差异分析、存在RNA表达差异的色素相关基因的DNA序列变异及其所受选择压力的检测，来构建色素相关基因的基因型与体色性状表型之间的联系，为全面揭示该属鱼类的物种形成及适应性进化的分子机理奠定基础，还可为了解人类皮肤色素疾病的发病机理及诊疗提供参考信息。

金线鲃属（Sinocyclocheilus）鱼类是我国特有的鲤科鱼类，其生活环境与洞穴关系密切，物种分化强烈，适应性表型性状高度特化，不仅物种丰富、形态各异，而且体色的多样化程度非常高。因此，该属鱼类无疑是研究动物体色变异分子机理的绝佳材料。然而，目前关于金线鲃属鱼类体色性状演化的分子机理却知之甚少。为此，本研究利用生态基因组学方法，首先对金线鲃属鱼类8个代表性物种且每个物种设3个生物学重复共24份皮肤组织样本进行了转录组测序，做了皮肤组织的比较转录组分析、色素相关基因的RNA表达差异分析、色素相关基因的DNA序列变异及其所受选择压力的检测；其次，还利用比较组织学方法对金线鲃属8个代表性物种皮肤进行显微观察和比较组织学研究。结果显示：1）经质控后获得237.95 Gb Clean Data，各样品Clean Data均达到6.61 Gb；2）通过差异表达基因KEGG通路注释及富集分析发现，地表型与洞穴型金线鲃皮肤差异表达的基因涉及黑色素合成通路、Wnt信号通路、MAPK信号通路、嘌呤代谢、氧化磷酸化通路等，这些通路都可能影响金线鲃属鱼类体色的形成；共有16个差异表达基因在洞穴型金线鲃皮肤中下调表达趋势明显，其中，黑色素合成通路涉及的ADCY9、PRKACAA、GNA15.1和NRAS基因可能是限制洞穴型金线鲃皮肤黑色素合成的关键基因；3）以斑马鱼的97个体色相关基因作为参考，在所研究的8种金线鲃中共发掘22个体色相关基因，这些基因与色素细胞的增殖、迁移、分化、存活及色素合成等相关，在洞穴型金线鲃中下调表达趋势明显，它们在金线鲃体色形成中可能发挥重要作用；4）体色观察及皮肤比较组织学分析显示，金线鲃属鱼类的体色可分为地表型体色和洞穴型体色两大类型，又可细分为五种亚类型。以上研究结果表明洞穴型和地表型金线鲃之间的体色性状差异较大，金线鲃属鱼类体色形成涉及的代谢通路及色素相关基因较多；本研究构建了地表型与洞穴型金线鲃体色相关基因的表达差异与体色性状差异之间的联系，揭示了金线鲃属鱼类体色差异在基因表达层次的遗传学基础，初步解析了金线鲃属鱼类体色性状演化的分子机理。此外，本项目的研究将为探索金线鲃属鱼类适应性进化及物种形成的分子机制提供科学依据。