乌鳢水-气双模呼吸适应低氧环境的分子机制研究

Northern snakehead, Channa argus, is an economically important freshwater fishes with extremely hypoxia tolerance. It is an aquatic-aerial bimodal breathing fishes that obtain oxygen not only from water but also directly from air through its specialized air breathing organ, suprabranchial organ. A lot of fossil, morphological and physiologic studies have indicated that the bimodal breathing is the result of hypoxia adaption, however, there is no molecular evidence to reveal the mechanism of aquatic- aerial bimodal breathing for hypoxia adaption. To better understand how bimodal breathing help to adapt hypoxia stress, gene expression levels will be compared between the aquatic- and air- breathing organ in C. argus under different hypoxia conditions, and the pathway regulation will be analyzed. Moreover, based on the available whole genome sequences of C. argus, and genomic resources from coelacanth and lungfish, comparative transcriptomic and comparative genomic studies will be conducted in this study as well. The sequence differences among orthologous, site mutations, genome positions, syntenies and copy numbers will be analyzed to explore the importance of bimodal breathing for hypoxia adaption during the vertebrate evolution.

乌鳢是有极强耐低氧能力的淡水经济鱼类，具有独特的气呼吸器官鳃上器，能从空气中直接获取氧气，进行水-气双模呼吸。虽然进化生物学化石证据、形态解剖学观察和生理生化研究皆表明双模呼吸是适应低氧环境的表现，但至今没有足够的分子生物学证据来揭示其适应低氧环境的分子机理。本项目拟从基因组层面上比较和分析乌鳢在供氧充足和急性缺氧条件下其水呼吸和气呼吸器官在分子水平上的不同反应，挖掘出与低氧适应相关的功能基因，并解析其调控通路，从而了解乌鳢水-气双模呼吸对低氧胁迫适应的分子遗传学机制。同时，借助本项目组所在团队已经获得的乌鳢全基因组序列信息，和公共数据库中其它物种的基因组资源，采用比较转录组和比较基因组研究方法来比较和分析乌鳢和腔棘鱼、肺鱼的低氧适应相关的同源基因的序列组成、功能位点的突变、在基因组序列上的位置、同线性和拷贝数等，从而探索双模呼吸在脊椎动物进化过程中对低氧环境适应的进化意义。

乌鳢是极耐低氧的淡水经济鱼类，能进行水-气双模呼吸来适应低氧胁迫。但其基因组资源匮乏，相关分子学研究较少。本项目研究获得了乌鳢全鱼转录组数据，且首次完成了全基因组框架序列的构建。组装得到的基因组大小为615.3 Mb，contig N50的大小为81.4 Kb，scaffold N50的大小为4.5 Mb，完整度和组装质量较高，为后续的性状解析提供了可靠且必需的遗传资源。在此基础上比较了水呼吸和气呼吸器官在不同溶氧状态下的分子反应。在正常状态下，总共有4693个基因显著差异表达，其中2727个在气呼吸器官鳃上器中显著上调，而1966个在水呼吸器官鳃中显著上调。经GO富集和KEGG通路分析，这些基因主要参与的通路包括血管生成、弹性纤维形成、离子吸收和运输、酸碱平衡。在急性缺氧环境下，总共有2550个基因显著差异表达，其中849个基因显著上调，而1701个基因显著下调。在急性缺氧无气呼吸组中有714个基因显著上调，而在急性缺氧有气呼吸组中只有244个基因显著上调，说明当水中含氧低时，乌鳢可以通过空气呼吸来减少机体的应激反应。基因通路分析发现最显著的是HIF-1 signaling pathway，关键基因是Hif。在乌鳢基因组中共检测到两个Hif基因，Hif1-α和Hif2-α。Hif1-α含750个氨基酸，而Hif2-α含825个，二者的相似度为70%。Hif1-α基因在低氧处理后的鳃和鳃上器中都显著上调表达，其中在鳃中的表达量更高。在同一组织中，随着低氧胁迫时间的延长，Hif1-α表达量下降。Hif2-α基因的表达模式与Hif1-α相似。最后，对乌鳢的进化地位进行了分析。结果显示，乌鳢与亚洲海鲈的进化关系最近，然后依次是三刺鱼、河豚、青鳉、弹涂鱼、斑马鱼、美丽硬仆骨舌鱼。Ka/Ks分析检测到63个基因受到正向选择。这些基因主要参与糖代谢和脂肪酸降解途径。我们推测在早期演化过程中，乌鳢由于受到环境中低氧的胁迫需要调节机体应对，而这些应对机制非常耗能，所以与代谢相关的基因在演化过程中受到正向选择。本项目研究为探索双模呼吸对低氧环境的适应以及在脊椎动物演化过程中的地位提供了可靠的分子证据。