鲍鱼（Haliotis）中非同源染色体（非合成同源染色体）的祖先起源与结构特征

《Molecular Ecology Resources》：Ancestral Origin and Structural Characteristics of Non-Syntenic Homologous Chromosomes in Abalones (Haliotis)

海兔属物种Haliotis gigantea的haplotype-phased基因组组装完成，结合HiFi长读测序和Hi-C数据，发现3条同源染色体存在大规模非同源区域，由重复基因扩张导致，可能参与物种适应性进化及基因组架构塑造。

　　在海洋无脊椎动物中，结构变异（structural variation）被认为是塑造基因组多样性的关键因素之一。然而，对于许多物种而言，这些变异的范围及其在进化过程中的意义仍不完全清楚。结构变异通常包括染色体的倒位、重复、插入和缺失等，它们能够显著影响基因的表达模式、功能多样性以及物种适应环境的能力。为了深入研究这些变异，科学家们开发了多种技术手段，其中基于等位基因相位的基因组组装（haplotype-phased genome assembly）被认为是一种非常有价值的工具，因为它能够提供对同源染色体之间差异的直接比较。本文聚焦于一种典型的海洋无脊椎动物——西太平洋鲍鱼（*Haliotis gigantea*），探讨其基因组中非同源区域的形成及其在进化中的作用。

鲍鱼是生活在热带和温带沿海水域的海洋软体动物，广泛分布于各大洲，但不包括南美洲西海岸和北美洲东海岸。它们在生态系统中扮演重要角色，不仅具有独特的形态特征，还在文化和经济上具有重要价值。然而，近年来由于非法捕捞、污染、气候变化和疾病爆发，野生鲍鱼种群数量急剧下降，许多物种面临灭绝的风险。因此，对鲍鱼基因组的深入研究对于其保护和资源管理具有重要意义。近年来，已有多个鲍鱼物种的基因组被成功组装，为相关研究提供了基础。然而，由于鲍鱼基因组中存在大量的结构变异，特别是同源染色体之间的非同源区域，因此需要更精确的基因组组装方法来揭示其基因组结构的复杂性。

本研究通过使用高保真（HiFi）长读长测序技术以及高分辨率染色体构象捕获（Hi-C）数据，构建了*H. gigantea*的等位基因相位基因组组装。这一方法能够有效捕捉基因组中染色体之间的结构差异，并揭示同源染色体之间可能存在的非同源区域。研究结果显示，*H. gigantea*的基因组由18对长染色体组成，总长度超过50 Mb，这与该物种的二倍体染色体数目（2n = 36）相吻合。此外，两种组装方式分别达到了96.5%和96.2%的单拷贝真核动物基因组基准测试（Metazoa Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs, BUSCO）基因的完整性，表明所构建的基因组具有较高的质量。

通过比较同源染色体之间的基因组特征，研究发现有三对染色体表现出大规模的非同源区域，这些区域主要由段落重复（segmental duplications）形成。这些重复区域富含特定的基因域，可能与适应性进化密切相关。例如，Chr1、Chr4和Chr9这三对染色体分别富含不同的功能域，如主要载体超家族（MFS）通用底物转运域、免疫球蛋白域和锚蛋白重复域。这些基因域的富集可能与鲍鱼在特定环境下的生存策略和免疫功能有关，显示出结构变异在基因功能分化和适应性进化中的重要作用。

进一步的分析表明，这些非同源染色体的结构在不同鲍鱼物种中具有一定的保守性，甚至在与*H. gigantea*进化关系较远的物种中也存在相似的结构特征。这提示我们，这些非同源染色体可能是在鲍鱼进化早期形成的，并且在多个物种中得到了保留。这种结构的保守性可能意味着这些非同源区域对鲍鱼的进化具有深远的影响，它们可能在基因复制、功能分化和适应性进化中发挥了关键作用。此外，研究还发现这些非同源染色体在不同鲍鱼种群中表现出不同的序列深度，这可能与基因拷贝数变异（copy number variations, CNVs）和基因组的不稳定性有关。

通过与多个鲍鱼物种的基因组进行比较，研究者发现*H. gigantea*的非同源染色体在遗传距离较近的物种中也表现出类似的结构特征，这进一步支持了这些染色体在鲍鱼进化中的重要性。在更远的物种中，这些非同源区域的基因组特征仍然可以被识别，表明它们可能在更广泛的进化过程中具有保守性。这种保守性可能与鲍鱼在不同生态环境中的适应性有关，例如在应对环境压力、疾病抵抗等方面。

研究还发现，这些非同源区域中包含大量重复基因，这可能与鲍鱼基因组中高比例的重复序列有关。重复基因在进化过程中可以产生新的基因功能，提高物种的适应能力。此外，非同源区域中某些基因的表达水平在特定环境下可能发生变化，从而影响鲍鱼的生存策略和进化路径。例如，某些与免疫相关的基因在非同源区域中表现出更高的表达水平，这可能与鲍鱼对环境变化和病原体感染的响应能力有关。

本研究的另一个重要发现是，这些非同源染色体的结构可能与鲍鱼的繁殖特性有关。由于鲍鱼的繁殖过程中，其幼体的传播范围相对较小，这可能导致了其基因组中较高的基因复制率。此外，研究还发现，这些非同源区域在不同鲍鱼种群中的分布可能存在差异，这可能反映了种群间的基因流动和选择压力。这些发现不仅有助于理解鲍鱼基因组的结构和功能，也为其他海洋无脊椎动物的基因组研究提供了参考。

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。首先，基因组中仍存在约0.6 Gb的未组装区域，这意味着目前的组装可能尚未完全覆盖整个基因组。为了进一步提高基因组的完整性和准确性，未来需要获取更长且更丰富的测序数据。其次，虽然本研究揭示了大量结构变异和基因复制现象，但对这些复制基因的功能验证尚未进行。未来的研究应结合转录组分析和实验验证，以更全面地了解这些基因在环境适应、免疫功能和发育过程中的具体作用。

综上所述，本研究通过构建等位基因相位基因组组装，揭示了*H. gigantea*基因组中非同源区域的结构特征及其在进化中的潜在意义。这些非同源区域可能与鲍鱼的适应性进化和基因组多样性密切相关，并可能在不同物种中发挥相似的作用。这一研究不仅为鲍鱼的保护和资源管理提供了重要的遗传信息，也为理解海洋无脊椎动物基因组的结构变异及其在进化中的作用提供了新的视角。