太平洋牡蛎和葡萄牙牡蛎亚种分化比较基因组学研究

The relationship of the Pacific oyster Crassostrea gigas and the Portuguese oyster C. angulata has been clarified after years of studies. The Portuguese oyster is now considered as the subspecies of the Pacific oyster and primarily distribute on the south coasts of China. There are obvious differences in adaption of temperature, growth rate and disease resistance of the two subspecies and however, the divergence is still unclear between their genomes. Our previous studies found that the sequences of the Portuguese oyster could cover most of the region of coding genes in the Pacific oyster genome and indicated it is feasible to perform comparative genomics analysis of the two oysters. In the project, we will first obtain the gene sets of the Portuguese oyster by using the genome of the Pacific oyster as reference. Then we will analyze the SNPs and haplotypes in genome wide and evaluate the allele polymorphisms and genetic differentiations of genes within individuals of one species and between the two subspecies. We will also compare the expression and estimate the selection pressure of genes during the subspecies differentiation. The study will for the first time investigate and illustrate the similarity and divergence of genome and genes between the Pacific oyster and its subspecies the Portuguese oyster, and may contribute to the genome studies in mollusks.

经过多年研究，太平洋牡蛎和葡萄牙牡蛎的分类关系逐渐明晰：一般认为，葡萄牙牡蛎是太平洋牡蛎在我国南方海域分布的亚种。两者在温度适应、生长、抗病性等方面都存在显著差异，但是全基因组水平上的分化尚不明确。我们前期研究发现，葡萄牙牡蛎序列可以比对到太平洋牡蛎基因组中多数编码基因区域，表明可以在两者之间开展比较基因组学相关分析。本研究计划以太平洋牡蛎基因组序列为参考，获得葡萄牙牡蛎的功能基因集；对不同个体进行SNP和单倍型分析，评估种内和亚种间的基因多态性和遗传分化；比较功能基因的表达差异，检测基因受到的选择压力，分析与两亚种分化可能相关的基因变异和进化模式。本课题首次在全基因组水平上考察和解析太平洋牡蛎和葡萄牙牡蛎两亚种的遗传分化和相关的功能基因，可以为贝类基因组学相关研究提供借鉴。

牡蛎是目前世界各国海水养殖业重要的养殖对象，也是世界产量最大的经济贝类。太平洋牡蛎(Crassostrea gigas)又称为长牡蛎或日本真牡砺，在我国北部沿海有广泛的自然分布。葡萄牙牡蛎(C. angulata)因首次发现于欧洲葡萄牙沿岸而得名，在我国南方沿海有较为广泛的分布。它们之间没有明显的生殖隔离，现在一般认为葡萄牙牡蛎是长牡蛎的南方亚种。本项目中，我们借助二代高通量测序和生物信息学方法对两者在全基因组水平上进行了比较分析。研究表明，葡萄牙牡蛎和太平洋牡蛎基因组测序序列的整体比对率分别为77.9%和78.1%，对参考基因组的整体覆盖率分别为66.5%和71.6%，而对基因编码区的覆盖率分别达到88.8%和90.5%，表明两者基因区的序列变异度较小。基因组中存在大量的单核甘酸突变(SNP)位点、插入/缺失位点和重复序列，鉴定出短重复序列位点60万个，SNP位点711万个。在两者中分别发现496万和430万个杂合SNP位点，表明两者基因组均具有高度的多态性，且葡萄牙牡蛎基因组的多态性略高。对牡蛎参考基因组中2.7万个基因的编码序列在两种牡蛎中进行比较，发现1.97万个基因在两牡蛎之间覆盖率均大于90%，最大序列差异小于10%，平均一致性达到95%以上，序列相似度较高，其他的基因则在亚种内和亚种间均表现出高度变异。对这1.97万个基因进行了GO功能注释，发现包括22种生物学过程、11种分子功能和13种细胞组分注释。通过计算基因序列的Ka/Ks值评估它们受到的选择压力，发现1.2万个基因的Ka/Ks值小于0.2，表明受到强烈的净化选择；发现229个基因的Ka/Ks值大于1.5，说明可能受到正选择。基因表达分析显示，在受到热刺激后，两者的基因mRNA表达模式差异较大。热激后3小时，葡萄牙牡蛎和太平洋牡蛎中分别有78和59个基因表达显著上调，其中重叠基因有29个，表达下调基因分别有16和24个，其中重叠基因只有2个。热激后24小时，两者分别有475和375个基因的mRNA表达显著上调，其中重叠基因有281个，表达下调基因分别有230和295个，其中重叠基因只有117个。本研究在基因组序列和基因表达水平上对太平洋牡蛎和葡萄牙牡蛎进行了较为系统的比较分析，为牡蛎基因组学和分子进化相关研究提供了新的参考数据。