海胆杂交子代繁殖特性及生长性状杂种优势的分子机制研究

Hybridization (cross breeding) is a traditional way to improve the germplasm quality and generate new species in aquaculture. A hybrid sea urchin (Anthocidaris crassispina♀ ×  Strongylocentrotus intermedius♂) and its parental species were utilized to study the reproductive characteristics by monitoring the development of gonad and the formation of gametes under microscope. On the basis of previous work, comparative transcriptomic and proteomic analysis, and microRNA prediction technique were utilized to find out the candidate genes, microRNAs and signal transduction pathways that involved in sea urchin growth heterosis, so that we can clarify the molecular mechanisms underlying sea urchin heterosis from transcription (mRNA) level, post-transcription regulation (microRNA) level and translation (protein) level. All data observed in this study will enrich our knowledge of molecular mechanisms underlying sea urchin heterosis, especially, distant hybridization, meanwhile, the data observed in this study will provide more theoretical support for effective utilization of marine hybrids as well, and give more clues to promote the development of aquaculture.

杂交育种是水产动物种质改良和新种创制的传统方式。本研究以我国产紫海胆(Anthocidaris crassispina，♀)和中间球海胆(Strongylocentrotus intermedius， ♂)杂交子代为研究对象，在前期工作基础上，通过显微观察、测量等方法研究其生殖腺的发育周期及配子发生规律，探讨海胆远缘杂交（科间杂交）子代的繁殖特性；利用比较转录组、比较蛋白质组分析方法以及转录组-蛋白质组联合分析预测microRNA等生物信息学手段，从转录和翻译两个层次筛选决定紫(♀)-中(♂)杂交海胆生长性状杂种优势的候选基因及信号通路，利用转录组-蛋白质组联合分析预测microRNA方法，明确参与调控候选基因表达的microRNAs，进而阐明杂交海胆生长性状杂种优势的分子网络和调控机制，以期丰富棘皮动物杂种优势分子机制研究的资料，为充分认识和完善海洋生物杂种优势体系提供更多参考。

杂交育种是水产动物种质改良和新种创制的传统方式。本研究以远缘杂交海胆（紫海胆♀×中间球海胆♂；马粪海胆♀×中间球海胆♂）子代为研究对象，在前期工作基础上，通过显微观察、测量等方法研究其生殖腺的发育周期及配子发生规律，探讨海胆远缘杂交子代的繁殖特性；利用比较转录组、比较小RNA转录组、microRNA（miRNA）— mRNA联动分析、比较代谢组以及生物信息预测等技术手段，从转录、转录后调控和代谢三个层次解析杂交海胆的繁殖特性以及生长性状杂种优势形成的分子网络和调控机制。研究结果显示：（1）在生长特性方面，远缘杂交海胆在早期胚胎发育阶段就在生长速度和高温耐受性方面显示出了比双亲海胆自繁后代更为优越的杂种优势；（2）在繁殖特性方面，远缘杂交海胆的性腺发育速度与双亲海胆自繁后代相比并无显著差异且存在性别分化现象，但是，其成体性腺中成熟生殖细胞数量较少，提示，远缘杂交海胆可能由于生殖细胞成熟受阻而具有育性低和繁殖力弱等特点；（3）比较转录组、比较小RNA转录组、microRNA（miRNA）- mRNA联动分析以及比较代谢组学分析结果显示，与双亲海胆自繁后代相比，远缘杂交海胆中与生长性状杂种优势形成密切相关的基因主要富集在PI3K-Akt、cAMP和Rap1三条通路中，参与这些基因转录后调控的关键miRNAs主要包括miR-2001、let-7和miR-4852等，而这些基因的最终表达产物则通过参与脂类和类脂分子代谢、有机酸及其衍生物代谢、有机杂环化合物代谢以及核苷、核苷酸及类似物代谢途径调控远缘海胆杂交子代生长性状杂种优势的形成。本项目研究结果不仅从转录、转录后调控和代谢三个层次阐明了杂交海胆子代生长性状杂种优势形成的分子网络和调控机制，还首次证实了棘皮动物远缘杂交个体中存在线粒体父系渗漏与线粒体DNA异序性现象，创造性地构建了以壳径推算海胆性腺发育的技术方法体系，不仅丰富了棘皮动物的分子生物学数据和杂种优势形成的分子机制研究资料，更为经济棘皮动物分子辅助育种提供了新的线索和参考，为充分认识和完善海洋生物杂种优势理论体系提供了更多的参考资料。