刺参生长性状杂种优势的分子机理研究

Sea cucumber (Apostichopus japonicus) has been one of the highest output animal in marine aquaculture animals in northern China. The hybrid Apostichopus japonicus “Shuiyuan No.1” has been got more extensive demonstration and promotion because of its fast growth, hardiness and good quality, etc. But its heterosis molecular mechanism is still unclear. To investgate the heterosis molecular mechanisms of important growth traits, RNA-Seq and MicoRNA analysis of somatic tissue will be perfomated during Dalian Apostichopus japonicus, Russian Apostichopus japonicus and their F1 hybrid population based on our preliminary research work. The difference expression major genes and miRNAs related growth traits will be screened and identified by analyzing mRNA and miRNA. The regulation mechanism is syudied during Apostichopus japonicus growth by the expression patterns and function identification of the major genes and miRNAs. The heterosis molecular mechanism will be revealed by analyzing the association between the major genes SNPs and the the growth traits, analyzing the population genetic effect, and the regulation network of mRNA and miRNA. The results of this project will provide important theoretical foundation for the people have a purpose in practice using the heterosis of growth trait in the near future.

刺参是我国海水养殖单种产值最高的经济种类之一，杂交育成的刺参“水院1号”因其生长速度快、抗逆性强、品质好等优点，得到了较广泛的示范和推广，但其杂种优势的分子机理仍不清楚。为探索刺参重要生长性状杂种优势的分子机制，本项目以大连刺参、俄罗斯刺参及其杂交F1代群体的体壁组织为样本，进行转录组（RNA-Seq）和MicroRNA深度测序，通过对mRNA和miRNA的联合和比较分析，筛选鉴定刺参生长性状差异表达关键miRNA、关键基因及其SNP位点；通过对刺参生长性状的关键基因、关键miRNA的时空表达模式和功能验证分析，揭示关键基因和关键miRNA在生长发育过程中的调控机制。通过关键基因的SNP与性状的关联分析、关键基因的群体遗传效应分析以及关键mRNA和miRNA的调控网络，揭示刺参重要生长性状杂种优势的分子机理,为今后人们在实践中有目的的利用生长性状的杂种优势提供理论依据。

通过杂交育种技术已经培育了刺参的新品种，但其杂交优势的分子机制还不清楚。在本研究中，利用俄罗斯(R)和大连(C)刺参的亲本，构建了纯种(CC和RR)和杂交家系F1代 (CR和RC),利用第二代测序技术进行了F1纯种和正反交群体的刺参转录组和miRNA的测序与分析，获得了不同发育时期的纯种和杂交群体的转录谱。本研究鉴定了176,649个unigene，其中有50,312个 unigene基因被成功注释。筛选鉴定了202个miRNA，包括7个已知的miRNA、195个未知的miRNA，其中175个miRNA被鉴定为差异表达的miRNA。对于不同家系的刺参基因的表达，构建了不同的差异分组，在刺参孵化后的45日龄、75日龄以及9月龄的杂交群体和纯种家系中发现了1,097-8,218个差异表达基因（DEGs）。为阐明生长性状差异的原因，对刺参45日龄和75日龄的不同家系构建了生长相关基因表达趋势图谱。根据GO和nr注释，共发现了31个生长相关的差异基因，这些生长相关的基因在杂种刺参中出现了上调表达，如gfs、igfs、megfs和hgfs等基因。将这些差异基因进行了KEGG调控网络的富集分析，发现这些生长差异的基因主要参与了MAPK和FOXO信号通路，并在这两个通路中发现了一个共同的表达模块Ras-Raf-MEK1/2-ERK，它可能是幼年刺参发育和生长的关键调节模式，这些生长相关基因的差异表达可能在杂种优势中发挥重要作用。在9月龄的刺参体壁转录组测序中，发现了与皂甙合成的相关基因。皂甙是刺参中重要的营养物质，主要分布在体壁中，其对海参的生长发育和免疫起着重要的作用。在本研究中，鉴定了64个与皂甙合成相关的差异基因，这些差异基因可能导致不同家系刺参的免疫能力以及体壁生长优势的不同。此外，我们将本研究的9月龄刺参的转录组和miRNA测序数据进行了联合比较分析，鉴定了不同的差异miRNA和靶基因的调控网络，并通过靶基因的数据库注释，进一步推测了未知miRNA的功能。本项目的研究结果为刺参杂种优势的分子机制提供了理论依据，并推测了一些可能导致杂种优势的生长相关基因，为海参的进一步杂交育种奠定了基础。