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盐城水产科学研究院筛选到可能影响鮰鱼生长速率的关键基因及代谢通路
发布时间 :2023/12/28 14:40:14 浏览 : 1652 [关闭]

      生长被认为是经济动物的一个关键特征,由于其重要的经济价值,也是基因改良项目的重要目标。生长性状属于数量性状,包括体重、头长和体长等指标。水产动物生长速率的调节是由许多遗传因素和环境影响的相互作用决定。快速生长率是所有水产养殖动物提高产量的关键因素。因此,在鱼类标记辅助选择育种项目中,加强对涉及生长速率的分子机制和调控途径的研究是必要的,这将在满足市场需求方面发挥更好的作用。

      斑点叉尾鮰(Ictalurus punctatus)是美国重要的经济鱼类,被广泛认为是探索硬骨鱼遗传学和基因组学的杰出模式物种。1984 年,湖北省水产研究所从美国引进鮰鱼。自 20 世纪 80 年代以来,中国消费者对鮰鱼的市场需求已经扩大很多倍,2021 年的年产量为 363344 吨。随着国内对鮰鱼市场需求的增加,养殖快速生长的鮰鱼,并揭示鮰鱼生长机制对于开展鮰鱼育种项目迫在眉睫。



图 1 研究背景


      为了鉴定与生长速率相关的重要候选基因及调控鮰鱼生长的代谢通路,我们对不同生长速率的鮰鱼进行了大脑、肝脏和肌肉组织的比较转录组分析。本研究的结果有助于我们理解鱼类生长速度的遗传机制,也为鮰鱼和其它经济鱼类的育种项目开展提供重要的候选基因。

      本研究得到了盐城水产科学研究院2021年渔业高质量发展课题《斑点叉尾鮰生长和体型的分子育种研究(YCSCYJ2021027)》的资助。本研究结果发表于Comparative Biochemistry and Physiology Part D:Genomics 

and Proteomics,第一作者为罗微微,第二作者为迟爽,文章第一单位是江苏联合职业技术学院,盐城生物工程分院,盐城水产科学研究院,合作单位是中国科学院水生生物研究所。文章链接:10.1016/j.cbd.2023.101178。

      研究团队将“江丰1号”同池养殖的混合群体中体重参数位于前5%和后5%的 鮰鱼个体,分别作为生长速率快慢的分组,以体重较小的组为对照组(极小组, SG),体重较大的组为实验组(极大组,BG),同时测量体长、头长、头宽和头高等生长性状。研究团队采集生长速率不同的鮰鱼脑(不包含垂体)、肝脏和肌肉组织进行RNA提取、文库构建、转录组测序和分析。

一、差异基因表达分析

      从不同生长速率鮰鱼的脑、肝脏和肌肉组织中共分别获得63、110和86个差 异表达基因(DEG)。比较这三种组织的差异表达基因时,在极大组(BG)和极 小组之间(SG)的肝组织中观察到更多的差异表达基因。值得注意的是,我们 发现BG组和SG组的两个或三个组织共有26个差异表达基因(图2)。与极小组(SG)相比,极大组(BG)有19个DEG上调表达,7个DEG下调表达。这些常见的DEG 主要参与代谢、细胞生长和死亡、免疫和信号转导,如磷脂酰肌醇-4-磷酸3-激酶催化亚基2型α(pik3c2a,上调)、组织蛋白酶D(ctsd,下调)和免疫球蛋白重变量4-38-2(IGHV4-38-2,上调)。


图2 鮰鱼脑、肝脏和肌肉组织差异表达基因汇总

a SN与BN、SL与BL以及SM与BM之间的DEG数量。

b Venn图描述了BG组和SG组之间鮰鱼的脑、肝脏和肌肉组织之间的重叠DEG。


二、生长相关DEGs鉴别

      通过RNA-Seq分析,共在脑、肝脏和肌肉组织中获得225个DEG,大多数注释的DEG与代谢、细胞生长和死亡、免疫和信号转导有关,表明鮰鱼的差异生长速率主要与这些过程有关。最后,我们使用以下策略选择了27个重要的DEG(BG 组中11个上调,16个下调):(ⅰ)在脑组织中表达的5个重要DEGs。(ii)在肝组织中表达的10个重要DEGs。(iii)在肌肉组织中表达的7个重要DEGs。(ⅳ)在两个或三个组织中共同表达的5个重要DEGs。这 27个关键DEG被认为是影响鮰鱼生长速率的重要候选基因,如胰岛素样生长因子2a(igf2a,下调)、骨形态发生蛋白1a(bmp1a,下调),肽酪氨酸酪氨酸(pyya,上调)和生长激素受体b(ghrb, 下调)。然后,利用这27个关键候选基因通过String网站构建了一个交互网络(图3)。该网络可以反映这些重要候选基因在鮰鱼生长性状中的功能关系和遗传调控模式。



图3 鮰鱼重要候选基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络

不同的点意味着不同的酶,不同的彩色线意味着蛋白质之间的相互作用。


三、荧光定量PCR实验(qPCR)验证

      进行qPCR以验证RNA-Seq获得的21个DEG的差异表达情况,以4个内源性基因作为内参基因。比较从qPCR和RNA-Seq获得的倍数变化趋势。我们发现,用qPCR确定的相同DEG表达趋势与用RNA-Seq确定的相似(图 4)。因此,RNA-Seq是分析mRNA差异表达的有效方法。



图4 鮰鱼体内差异表达基因的荧光定量PCR(qPCR)验证

a 脑组织的DEG的qPCR验证。b 肝脏组织DEG的qPCR验证。c 肌肉组织DEG的qPCR验证。

纵坐标表示基因的相对表达量,横坐标表示基因名称,RNA-Seq代表转录组测序,qPCR代表荧光定量实验


结论

      研究团队对鮰鱼脑、肝脏和肌肉组织进行了比较转录组分析,在快速生长组和慢速生长组之间获得了225个差异表达基因。KEGG通路注释揭示了97种通路或生理功能,如PI3K-Akt信号通路、NF-κB信号通路和脂肪酸代谢。基于该转录组数据库,进一步鉴定了27个重要的差异表达基因,它们主要参与生长、发育、代谢和免疫,包括生长激素受体b(ghrb),胶原,I型,α1a(col1a1a)、胰岛素样生长因子2a(igf2a)、成纤维细胞生长因子受体4(fgfr4)、骨形态发生蛋白1a(bmp1a)、酰基辅酶A合成酶长链家族成员2(acsl2)和肿瘤坏死因子,α诱导蛋白6(tnfaip6)等基因。研究结果有助于揭示不同生长速率的鱼类的遗传机制和调控途径,并为鮰鱼的选择性育种提供潜在的生长标志物和候选基因等。