通过比较基因组学和转录组学方法解析鲤科鱼类产卵策略相关的蛋白磷酸酶调控网络

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Comparative genomic and transcriptomic dissection of protein phosphatase regulatory networks associated with spawning strategies in cyprinid fishes

　　

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  对11种鲤科鱼类的比较基因组学研究揭示了Mg²⁺/Mn²⁺依赖的PPM1D通路是浮游卵鱼类中的新型通路。
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  粘性卵鲤鱼依赖PP1通路，而入侵性的大头鲤鱼则利用Mg²⁺依赖的PPM1D来加速孵化过程。
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  浮游卵在受精后30分钟内吸收水分和Mg²⁺，激活PPM1D以促进早期胚胎发育。
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  针对PPM1D或Mg²⁺的吸收途径可以为减少水产养殖中的入侵性鲤鱼提供一种物种特异性策略。

引言

银鲤（Hypophthalmichthys molitrix）和大头鲤（H. nobilis）（统称为大头鲤）的生物入侵在北美洲尤为严重。它们首次于1973年被引入美国南部的水产养殖池，随后逃逸到密西西比河流域，并迅速向北扩展（Freeze和Henderson, 1982; Kolar等人, 2007; Cudmore等人, 2012）。在这些入侵物种中，银鲤和大头鲤对北美洲的河流（包括密西西比河、密苏里河和俄亥俄河）构成了最严重的威胁，并有可能扩散到五大湖（Kammerer, 1987; Conover等人, 2007; Davidson等人, 2016; Fusaro, 2017）。在欧洲，人们在多瑙河的罗马尼亚和塞尔维亚段也观测到这两种鱼类的繁殖行为（Jankovic, 1998; Jawdhari等人, 2022）。普通鲤鱼分布在墨西哥95%的水体中，并占澳大利亚东南部鱼类生物量的90%（Harris和Gehrke, 1997; Hinojosa-Garro和Zambrano, 2004）。在阿根廷，这种鱼类的野外记录首次出现在1945年的拉普拉塔河口，随后在1967年同一地区再次被记录到（Mac Donagh, 1945; Candia等人, 1967）。这些入侵对北美洲、欧洲、澳大利亚和南美洲的本土生物多样性和生态系统功能产生了显著负面影响（Harris和Gehrke, 1997; Hinojosa-Garro和Zambrano, 2004; Mac Donagh, 1945; Candia等人, 1967; CARP, 1982; Panek, 1987; Karnai和Sz?cs, 2018; Irons等人, 2007; Cucherousset和Olden, 2011; Pendleton等人, 2017; Phelps等人, 2017; Flood等人, 2020; Vilizzi等人, 2015; Gallardo等人, 2016）。其中，产生浮游卵的银鲤和大头鲤比产生粘性卵的普通鲤鱼等同类物种更具入侵性，这一关键现象在分子层面的了解仍然不足。

普通鲤鱼复合体内的物种，包括鲫鱼（Carassius spp.）、普通鲤鱼（Cyprinus carpio）、草鱼（Ctenopharyngodon idella）、黑鲤（Mylopharyngodon piceus）、银鲤和大头鲤，在全球水产养殖中占据主导地位（Karnai和Sz?cs, 2018）。然而，这些物种在非本土生态系统中是严重的入侵者，对浮游生物和以浮游生物为食的鱼类产生重大负面影响，导致本土生物多样性显著下降（Irons等人, 2007; Cucherousset和Olden, 2011; Pendleton等人, 2017; Phelps等人, 2017; Flood等人, 2020），并改变生态系统功能，可能带来经济损失（Vilizzi等人, 2015; Gallardo等人, 2016）。虽然已经采用了多种控制方法（包括化学、物理、生物和环境手段）来管理入侵的普通鲤鱼种群，但彻底根除尚未实现（Phelps等人, 2017; Altenritter等人, 2022）。繁殖是鱼类生命周期中的关键过程。普通鲤鱼表现出显著的繁殖多态性。经过长期进化和对多种栖息地的适应，鱼类发展出了不同的繁殖类型。银鲤和大头鲤产生浮游卵，可以随水流扩散，扩大其入侵范围；而普通鲤鱼和鲫鱼产生粘性卵，会附着在岩石、滨岸植被和砾石等表面上（Platania和Altenbach, 1998; Tao等人, 2010; Chen等人, 2023a）。比较基因组学和转录组学已成为解析鱼类适应性表型进化分子基础的重要工具（Moore等人, 1995; Chagné等人, 2003; Wang等人, 2009; Costa等人, 2010）。结合这些组学方法，酶联免疫吸附测定（ELISA）能够在翻译水平上定量验证关键调控蛋白，为转录组学发现提供直接的功能证据（Lequin, 2005; Gan和Patel, 2013）。

尽管比较基因组学和转录组学已广泛应用于研究鱼类的进化和适应，但尚未有研究将这些方法结合起来系统地比较不同繁殖类型的鲤科鱼类，也未探讨蛋白质磷酸酶在此背景下的调控作用。因此，仍存在几个关键空白：（1）缺乏对具有不同繁殖类型的鲤科鱼类的全面基因组进化比较；（2）在粘性卵与浮游卵早期胚胎发育过程中，蛋白质磷酸酶网络的分子机制尚不清楚；（3）离子依赖的磷酸酶活性、快速吸水能力和增强扩散能力之间的联系尚未确立。为了解决这些问题，我们假设长期的进化选择塑造了粘性卵和浮游卵鲤科鱼类中不同的蛋白质磷酸酶调控网络。这些网络可能与早期胚胎发育和生理反应（如水分和离子吸收）相关，并可能解释观察到的扩散和入侵能力的差异。我们注意到，与磷酸酶相关的分子特征可能反映了卵类型特征的下游生理反应，而不是其上游的进化驱动因素。为此，我们使用比较基因组学和转录组学分析了具有不同繁殖类型的鲤科鱼类，以确定导致繁殖类型差异的关键因素。这项工作为理解繁殖适应的进化和功能基础提供了新的见解，并为管理入侵性鲤鱼物种提供了潜在的启示。

章节片段

基因组数据获取

从美国国家生物技术信息中心（NCBI）数据库和中国国家基因库（CNGB）下载了11种鲤科鱼类的基因组序列（FASTA格式）和注释文件（GFF格式）。作为外群物种的是斑马鱼（Danio rerio），它产生沉性卵。其余10种内群物种中，包括5种浮游卵 producer 和5种粘性卵 producer（表1），代表了鲤科（亚科Cyprininae）中的主要谱系：

同源基因分析

基于OrthoFinder结果的系统基因组分析显示，11种鱼类中的532,120个基因（占所有聚类基因的96.2%）被分配到28,672个同源群中。超过50%的同源群包含23个或更多基因（G50 = 23）。其中，12,123个同源群被所有11种鱼类共有，包括169个单拷贝同源基因。图1显示了每种鱼类中的基因家族分布。利用这169个单拷贝同源基因，我们...

讨论

我们的综合分析揭示了具有不同繁殖策略的鲤科鱼类之间的系统性基因组差异。使用169个单拷贝同源基因进行的系统发育重建显示，斑马鱼最早在约47.9百万年前分化，其次是粘性卵物种在约40.2百万年前分化，而浮游卵物种最晚在约21.8百万年前分化，这表明浮游卵可能是鲤科鱼类中的一个衍生特征。基因家族的扩张和收缩分析显示了...

结论

本研究提供了综合的基因组和转录组证据，表明不同的繁殖策略与鲤科鱼类中不同的蛋白质磷酸酶调控网络相关。我们的数据显示，粘性卵物种中PP1介导的通路表达更高，而浮游卵物种中Mg²⁺/Mn²⁺依赖的PPM1D通路表达上调。这种表达差异可能与卵的激活生理过程有关：浮游卵能迅速积累Mg²⁺

CRediT作者贡献声明

徐成斌：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件使用、研究、数据整理。 叶宝辉：软件使用、研究。 刘世英：验证、研究。 梁媛艳：验证、研究。 郭行龙：方法学、数据整理。 郑世成：软件使用、研究。 Muhammad Basit Shehzad：撰写 – 原稿撰写。 谢萍：资源获取、方法学、概念化。 范永梅：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金争取。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（）的资助： 32360684, 31860514。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表本人声明，所描述的工作是原创研究，未曾以任何形式在其他地方发表或考虑发表。所有列出的作者均已批准随附的手稿。作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人...

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