三倍体鲫鱼5S rDNA的染色体定位与变异分析：揭示多倍化进化中的基因组保守性

本研究针对多倍化进程中rDNA的进化模式与特性，通过比较分析天然和人工三倍体鲫鱼及其二倍体祖先的5S rDNA分子结构与染色体定位，发现三倍体鲫鱼完全继承了母本类型的5S rDNA序列与位点，且表达量随拷贝数增加而显著提升，为多倍体脊椎动物中rDNA的进化保守性提供了重要理论支持。

　　

在多倍化引起的物种形成过程中，基因组经历着剧烈的遗传事件。多倍体（polyploidy）不仅通过染色体融合、倒位和易位等结构重排推动进化，更在鱼类等低等脊椎动物中展现出惊人的染色体可塑性。天然存在的三倍体鱼类因其不育特性，可将生殖能量转向体细胞生长，表现出显著的生长优势，因而在水产养殖中具有重要价值。然而，三倍体作为多倍化进程中的关键过渡群体，其基因组如何响应额外的染色体组拷贝，特别是核糖体DNA（rDNA）这类重要重复元件的进化命运，仍是未解之谜。

为了探究多倍化对rDNA进化的影响，一项发表在《Reproduction and Breeding》上的研究对天然自交三倍体鲫鱼（autotriploid Carassius auratus, 3nCC, 3n=150）和人工诱导的雌核发育三倍体（autotriploid gynogenetic offspring, 3nG, 3n=150），以及它们的二倍体祖先——红鲫（Carassius auratus red var., RCC, 2n=100）和二倍体鲫鱼（diploid Carassius auratus, 2nCC, 2n=100）展开了系统的比较研究。研究聚焦于5S核糖体DNA（5S rDNA），该序列由保守的编码区（约120 bp）和高度变异的非转录间隔区（non-transcribed spacer, NTS）组成，是研究基因组快速进化事件的理想分子标记。

研究人员综合运用了PCR扩增与测序、染色体标本制备、荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization, FISH）以及实时定量PCR（Quantitative real-time PCR）等关键技术方法。样本来源于洞庭湖水系的天然三倍体鲫鱼和实验室通过远缘杂交与雌核发育技术获得的人工三倍体鲫鱼系。通过对210个克隆进行测序，并对来自10个个体的200个中期染色体 spread 进行FISH分析，全面解析了5S rDNA的序列变异和染色体定位。

3.1. 5S rDNA类型的分子组织结构

研究发现在RCC、3nG、2nCC和3nCC中均存在三种类型的5S rDNA PCR片段（约200 bp、340 bp和500 bp）。RCC中存在三种单体（class I, II, III），其编码区序列完全相同，但NTS区长度不同（NTS-I: 83 bp, NTS-II: 220 bp, NTS-III: 357 bp）。人工三倍体3nG完整地继承了RCC的三种类型，其编码区与RCC的相似性为100%。同样，天然三倍体3nCC也完整继承了其祖先二倍体2nCC的三种5S rDNA类型，编码区序列完全一致。

3.2. NTS（非转录间隔区）序列的变异

比较分析揭示，与亲本相比，三倍体后代在NTS区存在显著的碱基变异。在3nG中，与RCC相比，NTS-I区有23个碱基替换（平均相似性72.3%），NTS-II区有8个碱基替换（96.4%），而NTS-III区则存在18个碱基替换和20个碱基的插入/缺失（89.4%），其中包括一段16 bp的Poly A序列插入。相比之下，3nCC与2nCC的NTS序列则极为保守，NTS-I仅1个碱基替换（98.8%），NTS-II有8个替换（96.4%），NTS-III仅有1个替换和2 bp的Poly A插入/缺失（99.2%）。所有类型的NTS中，位于转录起始点上游-29 bp处的TATA调控元件均保守存在，但在某些类型中已变为TAAA。

3.3. 染色体数目检查

染色体计数证实了研究对象的倍性：RCC（87.5%的细胞具100条染色体）、3nG（90%的细胞具150条）、2nCC（89.5%的细胞具100条）和3nCC（94.5%的细胞具150条），为后续的FISH定位提供了细胞遗传学基础。

3.3.1. 荧光原位杂交

FISH分析结果清晰地展示了5S rDNA在染色体上的分布与拷贝数变化。使用203 bp探针（Class I和IV）时，在二倍体RCC和2nCC中均检测到8个位点（4对），而在三倍体3nG和3nCC中均检测到12个位点（6对）。使用340 bp探针（Class II和V）时，在二倍体中检测到4个位点（2对），在三倍体中检测到6个位点（3对）。使用更长的477 bp（Class III）和490 bp（Class VI）探针时，也观察到了相同的规律：二倍体8个位点，三倍体12个位点。这表明三倍体额外增加的一套染色体完整地继承了母本的5S rDNA基因簇，其位点数目严格遵循剂量效应，没有出现位点丢失或重新定位的现象。

3.4. 5S rDNA的表达

基因表达分析进一步支持了基因剂量效应。实时定量PCR结果显示，三倍体3nG中的5S rDNA表达量显著高于其母本RCC（p < 0.05）。同样，三倍体3nCC中的表达量也显著高于二倍体2nCC（p < 0.05）。这表明在多倍化后，随着基因拷贝数的增加，5S rDNA的表达水平也相应提高。

该研究得出结论，在鲫鱼的自交三倍化过程中，5S rDNA家族在分子组织和染色体定位上表现出高度的保守性。人工和天然三倍体都完整地继承了其母本类型的5S rDNA，其位点数目随染色体组倍增而严格按比例增加，表达水平也遵循剂量补偿效应。这种保守性表明，独特的雌核发育繁殖模式可能减轻了进化压力，使得遗传信息得以稳定传递。此外，3nCC与3nG在5S rDNA上表现出的极高相似性，为天然三倍体鲫鱼同样具有杂交起源的观点提供了有力的分子证据。该研究不仅深化了对多倍体脊椎动物rDNA进化动力学的理解，也为利用5S rDNA作为遗传标记进行物种鉴定和进化研究提供了重要参考。