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在青藏高原动物适应进化研究中,脊椎动物研究居多,无脊椎动物较少。研究人员测定西藏卤虫(Artemia tibetiana)染色体水平基因组。组装出 1.69Gb 基因组,大量基因被注释。为高原卤虫及其他水生无脊椎动物适应进化研究提供重要参考。
青藏高原,这片被誉为 “世界屋脊” 和 “世界第三极” 的神奇土地,平均海拔超 4000 米。高寒、低氧、强紫外线辐射的极端环境,塑造了当地物种独特的适应特征。在生命科学的探索旅程中,科学家们一直热衷于揭示高原生物适应环境的遗传奥秘。然而,目前大多数关于青藏高原动物适应进化的基因组研究都集中在脊椎动物身上,像哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物以及一些高原特有的鱼类等都被深入研究过。但对于无脊椎动物,相关的基因组水平研究却极为匮乏,仅有对西藏飞蝗的相关报道 。
在众多高原生物中,卤虫(Artemia)这种小型嗜盐浮游甲壳动物引起了研究人员的注意。它们广泛分布于全球高盐栖息地,在青藏高原星罗棋布的盐湖中也大量存在。位于西藏双湖县、海拔 4620 米的色林错(Kyêbxang Co),不仅是世界上目前商业采收卤虫休眠卵海拔最高的盐湖,还拥有高原上最大的卤虫种群。这里的卤虫在分类学上存在争议,而且其适应高原环境的分子机制在全基因组层面尚未被揭示。为了填补这些知识空白,来自中国海洋大学的研究人员开展了一项极具意义的研究,相关成果发表在《Scientific Data》上。
研究人员为了深入探究西藏卤虫适应高原环境的遗传基础,运用了多种前沿技术。他们结合 Illumina 短读长测序、Nanopore 长读长测序和 Hi-C 测序技术,对西藏卤虫进行了全面的基因组分析。首先,精心采集了西藏卤虫样本,为减少基因组杂合度,选取了近交 F3 代的雄性成虫用于后续分析。同时,采集了多个不同发育阶段和不同盐度培养条件下的样本用于 RNA 测序,辅助基因注释 。
在基因组测序与组装方面,研究人员从样本中提取基因组 DNA 和 RNA,进行了多平台的测序。通过 Illumina 测序获得了用于基因组调查和组装的大量数据,分别为 96Gb 和 380Gb 的 clean reads;Nanopore 测序则产生了 97.3Gb 的长读长数据;Hi-C 测序得到 268.7Gb 的 clean 数据;转录组测序也获取了 64.9Gb 的 clean 数据 。随后,他们利用这些数据进行基因组组装和注释。通过 K-mer 分析初步估计西藏卤虫基因组大小约为 2.17Gb,具有较高的杂合度(0.84%)和重复序列比例(79.70%) 。在组装过程中,尝试了多种策略,最终得到了质量较高的基因组组装结果。
在基因组特征分析中,研究人员发现西藏卤虫组装基因组大小为 1.69Gb,其中 94.83% 的序列成功锚定到 21 条假染色体上,GC 含量为 35.29% 。对重复序列的注释显示,约 75% 的基因组为重复序列,主要类型包括长散在重复序列、DNA 转座子和长末端重复反转录转座子等,但仍有 47.03% 的重复序列未被分类 。同时,还预测出 13,732 个 tRNA 基因和 188 个 rRNA 基因 。
基因预测与功能注释的研究里,研究人员综合转录本、从头预测和同源性预测三种证据,利用 MAKER 管道进行基因注释 。最终预测出 17,988 个蛋白质编码基因,其中 14,388 个基因得到了功能注释 。通过与其他物种进行共线性分析,发现西藏卤虫和中华卤虫(Artemia sinica)的基因组表现出完整的一对一染色体共线性,没有明显的大规模重排,这不仅证明了西藏卤虫基因组组装的高质量,也显示了这两个物种基因组结构的高度保守性 。
这项研究首次获得了西藏卤虫的染色体水平基因组组装,为深入研究卤虫适应高原环境的遗传机制奠定了坚实基础。通过对其基因组的解析,有助于揭示无脊椎动物在高原极端环境下的适应策略,为后续开展高原生物多样性保护、进化生物学研究提供了宝贵的数据资源和理论依据。同时,研究中使用的多种测序和分析技术,也为其他物种的基因组研究提供了重要参考。随着研究的不断深入,有望从分子层面更全面地理解高原生物的适应奥秘,为生命科学领域的发展注入新的活力。