泥鳅属杂种支系与亲本种基于嗅觉的生殖隔离及其分子基础

Natural hybridization could cause different evolutionary consequences: species merged; isolation between species reinforced; new species formed. In the past decade, homoploid hybrid speciation, which is triggered by hybridization, became a research focus. However, the case studies of this topic in vertebrates have not yet reached the demonstration of a creative role of hybridization in the establishment of reproductive barrier of the new species. In this program, taking a newly discovered diploid hybrid lineage and its two diploid parental species of the Misgurnus loaches as the research model, we will investigate whether and how hybridization causes reproductive isolation though influencing the sex pheromone-olfaction system of hybrids by the following ways: evaluating the association between the reproductive barrier and the sex pheromone-olfaction system of the hybrid lineage in the phenotype level by combining mate-choice and cross-breeding experiments and also metabolomic differential analysis; and characterizing the candidate gene set of sex pheromone receptor though bioinformatic analysis based on the sequence and expression data obtained from transcriptome sequencing of olfactory epithelium; then conducting recombination detection and phylogenetic and adaptive evolutionary analyses, based on the orthologous sequences between the hybrid lineage, the parental species and the outgroup, to find out the evidences of rapid evolution of sex pheromone receptor driven by hybridization. This program will provide a unique model system for the study of homoploid hybrid speciation, and is expected to reveal a new mechanism for the establishment of reproductive barrier.

自然界的杂交可引起不同的进化后果：物种相融合；物种间隔离加强；形成新物种。杂交所引起的同倍体杂种成种在近十年成为研究焦点。然而脊椎动物中的相关案例研究尚未深入到阐明杂交对所产生新物种建立生殖屏障的驱动作用。本项目以泥鳅属中一个新发现的同倍体杂种支系及其两个二倍体亲本种连同外类群作为研究模型，从以下几方面探讨杂交是否及如何能通过影响杂种的性信息素-嗅觉系统而引发生殖隔离：结合配偶选择和杂交繁育实验及代谢组学差异分析从表型水平来探究杂种支系的生殖屏障与性信息素-嗅觉系统的关联；并基于由嗅上皮转录组测序得到的序列和表达量数据，通过生物信息学分析鉴定获得候选的性信息素受体基因集；继而对杂种支系、亲本种及外类群的直系同源序列进行重组检测和系统发育及适应性进化分析，以图在分子水平找到杂交驱动性信息素受体快速进化的证据。本项目将为同倍体杂种成种研究提供独特的模型系统，并有望揭示一种新的生殖屏障形成机制。

泥鳅属不同物种间存在杂交现象，本项目以泥鳅属中一个推测的杂种支系及其两个亲本种连同外类群作为研究对象探讨杂交背景下性信息素-嗅觉受体系统的进化。本研究对泥鳅不同支系的嗅上皮和精巢以及其它组织进行了转录组测序，经数据挖掘鉴定了以上四物种共有的一对一直系同源基因1万余个，其中包括了来自四大嗅觉受体家族MOR,V1R,V2R和TAAR的成员。通过基因树构建和重组检测发现泥鳅杂种支系H约99%的基因继承自鳗尾泥鳅祖先，不足1%的基因继承自北方泥鳅祖先，除此之外，有一部分基因序列上有显著的重组信号，是两个亲本种的重组型。.通过对雌、雄泥鳅嗅上皮组织全长转录组测序获得的转录本序列进行数据库注释关键词筛选、BLASTX同源搜索以及系统发育分析，从中鉴定出35个OR嗅觉受体基因，覆盖β、γ、δ、ε、ζ和η等所有6个斑马鱼嗅上皮中表达的亚家族。并包括斑马鱼嗅上皮中不表达的Κ亚家族。对泥鳅嗅觉受体重复基因的Ka/Ks选择压力分析中，β亚家族有重复基因两两比较Ka/Ks值大于1，暗示β亚家族有重复基因成员经历了正向选择。多数其它亚家族的重复基因Ka/Ks值显著小于1，表明受到纯化选择。同时也有一些重复基因表现出进化约束减弱而朝向中性进化的特征。.通过比较转录组方法鉴定获得了候选的性信息素受体基因，发现鳗尾泥鳅及其近缘物种共有一个雌雄差异表达嗅觉受体基因orph，推测其编码性信息素受体。北方泥鳅和大鳞副泥鳅与斑马鱼一样，拥有一个orph。而在鳗尾泥鳅中orph发生了基因重复，有两个成员：orpha和orphb；其中orpha具有雌雄差异表达。orphb由于插入而导致终止密码子延后，氨基酸序列长度延长；orpha受到正选择，发生了适应性的氨基酸替代，推测其配体结合特异性发生了改变。这一适应性进化可能由性选择，性信息素与受体的共进化，以及强化成种的共同作用所驱动。.本项目研究结果为对泥鳅性信息素-嗅觉受体系统进一步的进化分析和功能验证提供了一定基础，为研究交配前生殖隔离机制和基因重复后的适应性进化提供了一个典型案例。