三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）生殖系新生突变率测定及其与基因组特征的进化保守性研究

本研究首次精准测定了生态进化"超级模型"三刺鱼的新生突变率(DNM)，通过40组家系三重测序(45x)发现μ=5.11×10-9 /bp/gen，揭示重组率与突变率正相关，证实重组具有诱变性。与近缘种九刺鱼(Pungitius pungitius)比较表明，尽管独立进化1750万年，两物种突变特征高度保守，为脊椎动物突变机制进化研究提供重要范式。

　　

在进化生物学研究中，生殖系新生突变(DNM)作为遗传变异的终极来源，其速率μ是种群遗传推断的核心参数。然而现有突变率数据存在明显的分类学偏差：哺乳动物特别是灵长类数据过载，而鱼类等脊椎动物的可靠估计仍属稀缺。更关键的是，作为生态进化研究的"超级模型"，三刺鱼(Gasterosteus aculeatus)虽已有大量适应性进化研究，但其突变率参数长期依赖替代率或近似值推算。这种知识空白严重限制了对其进化动力学的精确量化。

赫尔辛基大学等机构的研究团队通过大规模家系测序填补了这一空白。研究采集波罗的海野生三刺鱼建立4组家系（每组10个全同胞），采用DNBseq平台进行45x深度全基因组测序。通过严格生物信息学流程鉴定出115个独特DNM，首次测得三刺鱼突变率μ=5.11×10^-9
/bp/gen（95%CI:4.08-6.14×10^-9
）。与近缘种九刺鱼比较发现，尽管两物种独立进化1750万年，其突变率、突变谱及基因组分布特征均呈现惊人相似性。该成果发表于《Heredity》，为理解脊椎动物突变机制进化提供了关键案例。

关键技术方法包括：1) 野生捕获亲本与实验室繁殖子代构建家系三重；2) DNBseq平台150bp双端测序；3) BWA-MEM比对与GATK最佳实践流程变异检测；4) IGV可视化验证与bam-readcount定量过滤；5) 滑动窗口分析突变率与重组率相关性；6) snpEff注释突变功能效应。

De novo mutation rate in three-spined sticklebacks

研究通过40个三重家系分析，测得三刺鱼生殖系突变率处于鱼类中等水平（图1A），年化突变率1.70×10^-9
/bp/year。与九刺鱼相比，两物种μ无显著差异（t_64.43
=0.85, p=0.40），但三刺鱼置信区间更窄（图1B）。

Mutation characteristics and spectrum

突变谱分析显示转换/颠换比(Ts:Tv)为1.21，与九刺鱼相似（图1C）。强碱基对(C:G)向弱碱基对(A:T)突变(S>W)是反向(W>S)的两倍（χ²
=11.94, p=5.51×10^-4
）。21个外显子突变中45.6%为错义突变，未发现功能丧失突变。CpG岛外CpG位点突变率显著升高（图2D），但CGI内突变分布无区域偏好（χ²
=1.12, p=0.57）。

Weak sex bias of DNM rates in sticklebacks

父系起源突变占46.9%（α=0.88），与九刺鱼无显著差异（t_61.43
=-1.75, p=0.085）。全同胞共享突变比例(12.7%)低于九刺鱼（图1D），重复区域突变率达9.03×10^-9
/bp/gen。

Mutation distributions and their correlation with the other genomic features

5Mb滑动窗口分析显示突变率与重组率（p=0.020）、CpG含量（p=0.0035）显著正相关（图3B）。假常染色体区域突变率高达9.95×10^-9
/bp/gen。路径分析表明CpG含量通过影响重组率间接调控突变率（p<2×10^-16
）。

该研究首次建立三刺鱼突变率基准，揭示重组与突变的进化关联机制。特别值得注意的是，尽管三刺鱼有效种群规模预期大于九刺鱼，但两物种μ高度相似，这对"漂移屏障假说"（drift-barrier hypothesis）提出有趣挑战。研究发现PRDM9缺失物种中CpG含量与重组热点共定位的现象，为理解非PRDM9依赖的重组机制提供新视角。研究建立的实验与分析方法体系，为后续鱼类突变进化研究树立了新标准。