多倍体雌核生殖银鲫单精子测序和减数分裂重组规律研究

Employing dual modes of unisexual gynogenesis and sexual reproduction, hexaploid gibel carp (Carassius gibelio Bloch) has high genetic diversity and provides unique opportunities to learn about the evolutionary fates of polyploid and unisexual species. Here we will use a high-throughput method for single-cell whole-genome analysis in 100 sperm of gibel carp. The high-density genotyping results of all sperm and their father will be used to create an individual recombination map of gibel carp. Through comparing the sperm genome to each other, to the reference assembly of clone F and to the father genome, we will investigate the aneuploidy, recombination, gene conversion, meiosis drive, mutation et al. in sperm to reveal the mechanisms underlying rediploidization and genetic diversity of gibel carp. Finally, we will screen the male-specific region and identify the sex-related genes in gibel carp.

多倍体银鲫（Carassius gibelio Bloch）以其生殖方式的特殊性以及丰富的遗传多样性成为研究脊椎动物多倍体基因组进化、单性动物适应性进化以及性别决定的一个理想研究系统。本研究拟通过测定100个单精子的基因组，分析精子的倍性、非整倍体等情况以评估银鲫的减数分裂与两性脊椎动物减数分裂的差异；分析每个精子发生的重组及重组分布规律，构建银鲫个体的单精子重组图谱；鉴定精子染色体单倍体型构成，解析银鲫“多倍化-二倍化”的基因组进化；结合分析精子的基因组不稳定性，探讨精子多样性与银鲫遗传多样性和适应性进化之间的关系；最后通过比较精子基因组、单精子父本基因组和F系基因组筛选银鲫雄性特异区域，在基因组水平分析雄性决定机制。本项目的实施在理论上可以为揭示多倍体脊椎动物或单性脊椎动物的进化提供一个典型范例，同时构建的高密度遗传图谱可为银鲫F系基因组组装和分子设计育种提供技术支撑。

多倍体银鲫（Carassius gibelio Bloch）以其生殖方式的特殊性以及丰富的遗传多样性成为研究脊椎动物多倍体基因组进化、单性动物适应性进化以及性别决定的一个理想研究系统。本研究首先利用hifi+hic测序技术，挂载得到包含150条染色体、基因组大小为5.17Gb的1个六倍体银鲫的单倍体型基因组，为后续进行精子重组图谱的构建奠定了基础。接着建立了胚胎单倍体扩增技术，获得了56个六倍体银鲫和20个四倍体鲫的单精子测序数据，发现尽管流式细胞仪分析银鲫精子DNA含量减半了，但它不是真正的发生正常的减数分裂，普遍存在较严重的非整倍性。进一步构建了鲫的单精子遗传重组图谱，比较分析了银鲫和四倍体鲫的精子中的重组交换情况，发现相对于正常两性生殖的鲫鱼平均每个精子有70.6个位点，银鲫平均每个精子中仅有5.3个交换位点。说明3套同源染色体之间不能进行很好配对，减数分裂中的同源重组受到很大抑制。尽管如此，同源重组并没有全部被抑制，这对于多倍体单性物种清除有害突变具有积极的作用。进一步我们发现银鲫基因组中的基因转移率比已报道的其它单性物种高两个数量级，达到一些有性物种的水平，并且这种基因转移是通过偶发的减数分裂同源重组产生的。通过这一机制，银鲫可以增加遗传多样性和清除突变，这可能对银鲫避免齿轮效应并长期存在至关重要。同时也通过比较基因组学分析，筛选到2个银鲫雄性特异标记以及从银鲫F系中筛选到12个团头鲂精子渗入的特异片段，并转化了8个SCAR标记直接用于水产新品种异育银鲫“中科5号”的选育过程。本项目的研究结果在理论上揭示了一种多倍体单性脊椎动物得以成功的进化机制，同时筛选的分子标记可以指导异育银鲫新品种的选育。