四川哲罗鲑染色体水平基因组揭示超高串联重复序列比例及其持续种群收缩的进化奥秘

本研究针对极危物种四川哲罗鲑（Hucho bleekeri）基因组资源匮乏的问题，通过PacBio HiFi和Hi-C技术完成其3.45 Gb染色体水平基因组组装，发现串联重复序列（TR）占比高达44.47%，其中可变数量串联重复（VNTR）占主导。研究揭示了与免疫应答和神经功能相关的正选择基因，推断了与西伯利亚哲罗鲑的分化时间约为2.34 Mya，并通过PSMC分析表明其有效种群规模自1 Mya以来持续下降。该基因组为理解鲑科鱼类进化适应及制定保护策略提供了关键资源。

　　

在长江和渭河上游的支流中，栖息着一种被称为“水中大熊猫”的极危鱼类——四川哲罗鲑（Hucho bleekeri）。作为鲑科鱼类中分布最南端的冰川残留物种，它不仅是水生生态系统中的顶级捕食者，更因其晚熟特性而对人类干扰和生态变化极度敏感。尽管早在1998年就被列入《中国濒危动物红皮书》，2012年被世界自然保护联盟（IUCN）评为极危（CR）物种，2021年成为我国唯一被列为国家一级保护动物的鲑科物种，但非法捕捞仍在持续威胁其生存。更令人担忧的是，由于基因组资源的缺乏，科学家们一直难以深入探究其进化适应机制和制定有效的保护策略。

为了解开这个进化谜题，西北农林科技大学张新苗等研究人员在《BMC Genomics》上发表了染色体水平的四川哲罗鲑基因组图谱。研究团队采用PacBio HiFi长读长测序和Hi-C染色体构象捕获技术，成功构建了大小为3.45 Gb的染色体级别基因组，contig N50达到2.4 Mb，scaffold N50高达73.71 Mb。通过Illumina NovaSeq平台对5个不同组织进行转录组测序，获得40 Gb数据用于基因注释。基因组评估显示BUSCO完整度达97.8%，证实了组装的高质量。研究人员还采集了黑龙江流域的西伯利亚哲罗鲑样本，通过重测序数据（155.88 Gb）进行种群历史分析，并利用PSMC（Pairwise Sequential Markovian Coalescent）方法推断了有效种群规模的变化历史。

研究最惊人的发现是串联重复序列（Tandem Repeats, TR）在基因组中的超高比例。通过Tandem Repeats Finder等工具的分析，发现TR序列占基因组的44.47%，其中可变数量串联重复（Variable Number Tandem Repeats, VNTR）占43.17%，简单串联重复（Short Tandem Repeats, STR）占1.30%。这是目前已知鲑科鱼类中TR比例最高的基因组。进一步分析显示，这些TR序列分布不均匀，59.12%的STR位于VNTR区域1 Kb范围内，且染色体末端存在VNTR富集现象。更引人注目的是，TR序列与GC含量密切相关，TR区域的GC含量（45.64%）显著高于转座元件（TE）区域和基因组平均水平。

基因注释和基因组共线性

研究预测了51,571个基因，平均长度14,138 bp，平均每个基因含7个外显子。通过蛋白映射分析，鉴定出15,787对同源基因，占预测基因总数的64.37%。共线性分析识别出44个同源区块，显示较长染色体（特别是前5条超过120 Mb的染色体）更可能包含多个同源区块。

重复序列景观及其基因组影响

研究发现散布重复序列占基因组的36.18%，是鲑科鱼类中最低的比例。逆转录元件占13.11%，其中长散布核元件（LINEs）占7.03%，长末端重复（LTR）元件占5.98%。DNA转座子占9.93%，以Tc1-IS630-Pogo家族最为丰富。TR序列对基因表达具有重要调控作用，当基因的TR比率超过0.75时，表达水平显著降低，这种抑制效应可能与GC含量相关。

系统发育分析和基因家族进化

通过比较10个物种的41,128个直系同源基因家族，发现四川哲罗鲑特有659个基因家族和404个单拷贝直系同源基因。系统发育分析显示，哲罗鲑属（Hucho spp.）和细鳞鲑属（Brachymystax spp.）作为 Salmoninae 亚科的古老分支，约在33.92 Mya与其他 Salmoninae 物种分化。正选择分析鉴定出165个正选择基因（PSGs），包括5个与免疫功能相关的基因（cd79b、c1qb、nfkbia、ctsd和sparc），这些基因在抗原识别、病原清除和免疫调节中起关键作用。

祖先染色体状态

以北梭子鱼（Esox lucius）作为外群，研究人员重建了四川哲罗鲑的染色体进化历史。共识别出12,077个直系同源基因（北梭子鱼与四川哲罗鲑为1:2或1:1关系），形成80个同源区块，覆盖四川哲罗鲑44条染色体的90.89%。每个北梭子鱼染色体对应四川哲罗鲑的两个同源染色体，其中一半的四川哲罗鲑染色体（26/44）与单个北梭子鱼染色体存在共线性。

两个哲罗鲑物种的分化和种群动态

通过对黑龙江流域的西伯利亚哲罗鲑（H. taimen）样本进行分析，研究发现两个哲罗鲑物种的分化时间约为2.34 Mya。PSMC分析显示，秦岭地区的两个物种（四川哲罗鲑和秦岭细鳞鲑）自PSMC曲线终点以来经历了持续的种群收缩，而黑龙江地区的两个物种（西伯利亚哲罗鲑和黑龙江细鳞鲑）在约2 Mya经历了显著的种群扩张事件，随后有效种群规模（N_e）长期下降。

研究结论表明，四川哲罗鲑基因组中超高比例的串联重复序列是其最显著的基因组特征，这可能是导致其基因组大小异常庞大的重要原因。这些重复序列不仅影响基因组结构和稳定性，还可能通过调控GC含量来影响基因表达。正选择基因分析揭示了该物种在免疫应答和神经功能方面的适应性进化，使其能够适应秦岭山地溪流的独特环境条件。种群历史分析表明，四川哲罗鲑的有效种群规模自一百万年前以来持续下降，当前极低的种群数量令人担忧。

这项研究不仅提供了首个染色体水平的四川哲罗鲑基因组资源，为理解鲑科鱼类的基因组进化提供了重要见解，更重要的是为制定科学有效的保护策略提供了基因组学基础。研究人员强调，需要将基因组数据整合到保护策略中，以改善四川哲罗鲑种群的管理，并为其他濒危鲑科物种的保护做出贡献。该基因组资源的发布，为未来研究这一古老而独特物种的生存机制和进化潜力打开了新的窗口。