染色体水平珊瑚石斑鱼基因组解析揭示Eupercaria进化史及免疫基因扩张机制

本研究针对珊瑚石斑鱼(Epinephelus corallicola)基因组信息缺失及Eupercaria类群进化关系不明的问题，通过构建高质量单倍型基因组，开展系统发育基因组学和核型进化分析。研究发现Perciformes位于Eupercaria基部（分歧时间88.55 Mya），支持将Epinephelinae提升为Epinephelidae科，并揭示MHCIIα、MHCIIβ和RFX5等免疫基因家族显著扩张。该研究为石斑鱼育种提供重要基因组资源，为Eupercaria进化研究提供新见解。

　　

在热带和亚热带海域的珊瑚礁生态系统中，石斑鱼作为顶级捕食者扮演着至关重要的生态角色。这类具有极高经济价值的鱼类，不仅支撑着亚洲多个国家的重要渔业产业——仅中国2023年石斑鱼捕捞产量就达11.3万吨，还面临着野生资源过度捕捞的严峻挑战。尽管石斑鱼养殖业正在迅速发展，杂交育种也被广泛采用以提高产量，但理论指导的缺乏导致杂交组合选择存在较大盲目性。珊瑚石斑鱼(Epinephelus corallicola)作为一种具有养殖潜力的经济物种，其基因组信息和系统分类地位一直不明确，这严重制约了其人工育种和资源保护工作的开展。

更宏观地看，尽管Eupercaria类群（高等棘鳍类）已积累了大量基因组资源，但基于这些资源的系统发育关系和基因组进化整合分析仍然匮乏。这些宝贵的资源为探究Epinephelidae在Perciformes中的系统发育地位以及Eupercaria各类群间的进化动态提供了难得的机会。

为了解决这些问题，研究人员在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果，通过对珊瑚石斑鱼进行基因组测序和进化分析，不仅提供了重要的基因组资源，还为Eupercaria的基因组进化研究提供了新的见解。

研究团队采用多项关键技术：使用PacBio Revio平台进行长读长测序（90.8×覆盖率）和DNBSEQ-T7平台进行Hi-C测序（145.8×覆盖率），利用hifiasm软件构建单倍型解析基因组，通过Juicer和3D-DNA流程进行染色体挂载，使用BRAKER流程整合多证据策略进行基因注释，基于33个物种的染色体基因组进行祖先核型进化分析，利用OrthoFinder鉴定单拷贝直系同源基因并构建系统发育树，采用CAFE5进行基因家族扩张和收缩分析。

基因组组装

研究人员成功构建了珊瑚石斑鱼的两个单倍型解析基因组组装，hap1和hap2总长度分别为1.086 Gb和1.083 Gb，contig N50分别达到44.94 Mb和43.86 Mb。通过Hi-C支架扫描，两个组装的contig几乎全部被锚定到24条假染色体上，锚定率分别为98.51%和99.09%。scaffold N50值分别达到45.24 Mb和46.20 Mb，且分别检测到19和21个端粒。端粒序列基序为'TTAGGG'，与同属物种E. lanceolatus以及近缘物种Cephalopholis sonnerati一致。

基因注释

转座元件(TE)序列在hap1和hap2中分别占基因组总长度的41.55%和41.70%，其中DNA转座子占比最高（分别为15.30%和15.34%）。整合注释策略共预测到hap1和hap2分别包含24,229和24,091个蛋白质编码基因。BUSCO评估显示两个组装均具有高度完整性（hap1:98.08%；hap2:98.05%）。

系统发育分析

基于5,068个单拷贝直系同源基因构建的系统发育树显示，Perciformes位于Eupercaria的基部，其与其他类群的分歧时间估计为88.55 Mya。Pempheriformes和Labriformes形成一个支系（A），而另一个支系（B）由Chaetodontiformes、Spariformes以及Tetraodontiformes和Lophiiformes的组合构成。Centrarchiformes的位置未能得到高置信度解析（91% bootstrap），但其与支系B的更近关系与先前研究一致。

在Perciformes目内，Epinephelidae同样处于基部位置。Epinephelidae长期被归类为Serranidae科下的Epinephelinae亚科，但积累的研究证据表明Epinephelinae不属于Serranidae，因此建议将Epinephelinae提升为科级分类单元Epinephelidae。本研究基于全基因组数据集重建的系统发育树强有力地支持了这一分类方案。

Epinephelidae的内部拓扑结构显示了一个由Plectropomus+(Cephalopholis+Epinephelus)构成的支系结构，分歧时间估计为：Plectropomus在48.99 Mya与Cephalopholis+Epinephelus支系分离，Cephalopholis和Epinephelus在24.76 Mya分化。在Epinephelus属内，E. corallicola与E. fuscoguttatus形成姐妹关系，随后与E. lanceolatus聚为一支。

祖先核型进化

祖先核型进化分析涵盖了29个Eupercaria物种和4个外群物种。其中24个Perciformes物种和2个外群物种表现出与E. corallicola保守的染色体核型，表明E. corallicola可能代表了Eupercaria的祖先连锁群(ALGs)。Eupercaria的ALGs由24条染色体连锁群组成。末端融合仅在Gasterosteidae(Perciformes)和Takifugu rubripes(Tetraodontiformes)中观察到。

在Cyclopterus lumpus(Cyclopteridae, Perciformes)中，发现了涉及ALG9和ALG11片段的染色体融合，形成了一条新染色体，导致总染色体数相比ALGs有所增加。从ALG14到ALG24的染色体片段易位在Spariformes目的两个物种(Chelmon rostratus和Sparus aurata)中共享。此外，从ALG1到ALG10以及从ALG11到ALG17的染色体片段易位在Lophiiformes目的两个物种(Antennarius striatus和Brachionichthys hirsutus)中也共享。

比较基因组分析

全基因组平均核苷酸一致性(ANI)分析显示，在石斑鱼类中，P. leopardus与Cephalopholis+Epinephelus支系间的ANI值在84.16%至84.55%之间，而C. sonnerati与Epinephelus种间的ANI值在89.15%至89.44%之间。在Epinephelus属内，四个物种间的成对ANI值紧密分布在96.32%至96.97%的狭窄范围内。

基因家族扩张和收缩分析发现，在E. corallicola中存在285个显著扩张的基因家族和618个收缩的基因家族。扩张基因家族的功能富集分析显示，这些基因显著富集于正向调控细胞因子产生和正向调控淋巴细胞迁移等生物学过程的GO术语。KEGG通路分析表明，扩张基因家族显著富集于肠道IgA生产免疫网络、凝集素以及抗原处理与呈递通路。

值得注意的是，MHCIIα、MHCIIβ和RFX5（免疫系统中MHCII基因表达的关键转录调节因子）均显著扩张。考虑到MHCII在外源抗原呈递中的关键作用，这些基因家族的扩张可能增强了对细菌和寄生虫感染的抵抗力，这使得E. corallicola有望成为具有高抗病性的石斑鱼养殖物种或杂交亲本。

研究结论表明，珊瑚石斑鱼高质量单倍型解析基因组的成功构建为Epinephelidae提供了重要的基因组资源。系统发育基因组学分析将Perciformes置于Eupercaria的基部位置，并支持将Epinephelinae提升为Epinephelidae科。基于33个物种的染色体基因组分析揭示，E. corallicola可作为Eupercaria的24个祖先连锁群(ALGs)的代表模型，使得能够追踪各谱系间的古老染色体进化。

在Epinephelidae科内，物种间的全基因组平均核苷酸一致性(ANI)范围在84.16%至96.97%之间。基因家族扩张和收缩分析突出了免疫相关基因（包括MHCIIα、MHCIIβ和RFX5）的显著扩张，这可能有助于E. corallicola的适应性进化。

该研究不仅为Epinephelidae提供了重要的基因组资源，增进了对石斑鱼 aquaculture和选择育种项目的理解，还为Eupercaria的基因组进化研究提供了新的见解，特别是在系统发育关系和祖先染色体核型进化方面。研究发现免疫相关基因的扩张机制，为石斑鱼的抗病育种提供了重要的分子靶点，对推动石斑鱼养殖业的可持续发展具有重要实践意义。