全基因组重测序揭示草鱼（Ctenopharyngodon idella）野生与养殖群体的遗传多样性、群体结构及环境适应选择信号

《Aquaculture Reports》：Whole-genome re-sequencing reveals genetic diversity, population structure, and selection signals of different geographic populations in Ctenopharyngodon idella

　　

全基因组重测序（whole-genome resequencing, WGS）是理解局部适应和优化育种计划的关键。对439尾野生捕获和养殖草鱼（Ctenopharyngodon idella）进行全基因组重测序，获得2,860万个高质量单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP），为长江和珠江水系草鱼的遗传多样性、群体结构和候选选择性清除（selective sweep）提供了全面概览。全基因组分析显示，草鱼总体遗传多态性相对较低（平均多态信息含量（polymorphism information content, PIC）<0.25）。值得注意的是，与养殖品系相比，野生捕获群体保持更高的遗传多样性、更快的连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD）衰减和更少的纯合片段（runs of homozygosity, ROH）。此外，长江与珠江水系之间观察到明显的遗传分化，反映长期地理隔离。相反，养殖群体形成由奠基者效应和遗传漂变驱动的独立聚类。采用多种方法进行的选择性清除分析识别出流域和区域特异性的适应信号。长江群体在脂质运输、温度感知调控、维生素吸收和破骨细胞分化相关基因中显示选择信号，提示其可能通过膜流动性维持和骨骼重塑等机制适应持续冬季低温和湍急水流。同时，珠江群体在与脂质合成与储存、甲状腺激素信号通路和免疫应答相关的基因上显示选择，适应亚热带高温和高病原负荷。水系内进一步区域比较揭示与视觉、生长、免疫和代谢相关的精细尺度适应信号。上述结果共同提供了草鱼群体分化和环境适应的全基因组视角，为种质保护和可持续育种计划提供有价值见解。

研究背景方面，草鱼（Ctenopharyngodon idella）原产东亚，是中国重要淡水养殖物种，具有养殖技术相对简单、生长快、饲料转化效率高和肉质较好等特点；自2013年以来全球年产量稳定在500万吨以上，是产量最大的养殖鱼类之一，并因草食性广泛用于水生植物调控。草鱼分布于东亚主要水系，长江和珠江水系是草鱼养殖和亲鱼繁殖的主要地理来源；两水系在纬度、气候和水文条件上差异显著，长期环境差异驱动形态、生理和生态习性适应分化。当前问题在于，栖息地退化影响野生草鱼种质资源，自然种群丰度下降；部分人工繁殖场忽视亲鱼严格选育和定期更新，缺乏管理的近交导致有害等位基因积累和种质退化，子代关键经济性状衰退。因此，需要系统评估野生地理群体和养殖群体的遗传多样性、群体结构及选择信号。研究人员对439尾草鱼进行全基因组重测序，样本于2021年9月下旬至11月上旬采自长江和珠江水系17个群体，包括长江中游HBSS、HBJL、JXRC，下游AHAQ，由中游引种建立的SXYL、HBRQ及GDSX部分群体，养殖品系HNCS、JSSZ、ZJJX，以及珠江广西段GXWZ、GXMJ、GXGP，广东段GDZH、GDZQ、GDDQ和东江GDGZ。研究获得2,860万个高质量SNP，揭示草鱼总体遗传多态性较低（PIC<0.25），野生群体遗传多样性较高、LD衰减较快、ROH较少，长江与珠江群体明显分化，养殖群体形成独立聚类，并识别出与脂质运输、温度感知、维生素吸收、破骨细胞分化、脂质合成储存、甲状腺激素信号和免疫应答等相关的选择信号。该研究为草鱼种质资源保护、亲鱼管理和可持续育种提供了基因组依据。关键技术方法方面，研究人员于2021年9—11月从长江和珠江水系17个群体采集439尾草鱼；构建350 bp插入片段文库，采用BGI平台PE150测序，平均深度约17.5×；以GCA_049919795.1为参考基因组，使用BWA比对、Samtools处理、GATK v4.1检测变异；PLINK质控后进行PCA、FastTree系统树和ADMIXTURE分析；VCFtools计算π和Fst，PopLDdecay分析LD，PLINK检测ROH；采用Fst、π-ratio、XPEHH和XPCLR进行选择清除分析；利用EggNOG-mapper、InterPro和KAAS注释，OmicShare进行GO和KEGG富集分析。

研究结果如下。3.1 基于测序数据的变异检测与遗传多样性分析：对439尾草鱼进行深度全基因组重测序，获得6630.05 Gb清洁数据，平均每样本15,347.33 Mb，平均基因组覆盖98.55%，平均测序深度16.91×；严格过滤后保留28,580,931个高质量双等位SNP，进一步以缺失率≤0.1和次要等位基因频率≥0.01过滤后保留7,979,510个SNP用于群体结构和遗传多样性分析。总体多态水平较低（PIC<0.25）；长江水系群体遗传多样性略高于珠江水系（He=0.2152、π=0.00199 vs He=0.2093、π=0.00194；全基因组逐位点π的Wilcoxon秩和检验P<2.2×10^?16）；长江中游MYR及其衍生SXYL、HBRQ保持较高多样性，SXYL的π=0.00201、He=0.2104；养殖品系HNCS、JSSZ、ZJJX遗传变异降低，HNCS的He=0.1957、PIC=0.1600、π=0.00184最低；珠江GDZH多样性较低（He=0.1958、PIC=0.1604）。3.2 群体结构分析：系统树、PCA和ADMIXTURE均支持长江与珠江野生群体分离；长江中游MYR与下游LYR存在亚结构，珠江群体内部分化较弱；HNCS、JSSZ、ZJJX等养殖群体形成独立聚类但与长江谱系相关；K=6为最优祖先群体数。3.3 连锁不平衡：野生群体LD衰减快于养殖品系；500 kb处养殖GDSX的r²最高为0.1119，HNCS、JSSZ、ZJJX分别为0.0822、0.0625、0.0610；野生MYR为0.0205，LYR、GDPR、GXPR分别为0.0326、0.0225、0.0237。3.4 纯合片段（ROH）描述：GDPR、GXPR、MYR、LYR、GDSX、HNCS、JSSZ、ZJJX分别检测到858、911、1111、406、243、119、221和434个ROH；200—300 kb短ROH在各群体中占比均超过70%；珠江野生群体ROH数显著高于长江野生群体（P<0.01）；ZJJX平均ROH数最高（14.97±16.09），显著高于MYR、LYR和JSSZ（P<0.05），HNCS最低（4.76±2.76）。3.5 群体选择清除分析：PR与YR比较中，基于Fst≥0.0563且ROD≤?0.2089在PR识别99个选择基因，基于Fst≥0.0563且ROD≥0.1716在YR识别58个选择基因；XPEHH在PR和YR分别识别465和279个基因，XPCLR分别识别1319和1529个基因，并取候选基因并集进行富集。PR群体GO富集于C-5甲基化胞嘧啶和DNA甲基转移酶活性，KEGG富集于甲状腺激素信号通路、PPAR信号通路、脂质与动脉粥样硬化、T细胞受体信号通路及Toll和Imd信号通路；YR群体GO富集于磷脂外排、胆固醇外排、酰基甘油稳态和固醇运输，KEGG富集于维生素消化吸收、脂肪消化吸收、脂质与动脉粥样硬化和胆固醇代谢。MYR与LYR比较中，MYR识别1913个选择基因，富集于晶状体结构成分、眼发育和感觉器官发育及RIG-I样受体信号、凋亡、IL-17、TNF、化学致癌-受体激活、味觉转导等通路；LYR识别1812个选择基因，富集于肌细胞细胞骨架、神经活性配体-受体相互作用、蛋白质消化吸收、脂肪酸生物合成、苯丙氨酸代谢和糖胺聚糖生物合成等通路。GDPR与GXPR比较中，GDPR识别1806个选择基因，富集于T细胞增殖、白细胞细胞间黏附、细胞因子产生、淋巴细胞迁移、吞噬体成熟及Virion-Herpesvirus、单纯疱疹病毒1型感染、朊病毒病、ABC转运体、内吞和糖酵解/糖异生等通路；GXPR识别1771个选择基因，富集于Hedgehog信号通路、其他聚糖降解、胰腺分泌和溶酶体等通路。

讨论部分总结：讨论指出遗传多样性是群体进化潜力和长期存活的核心指标；WGS可精确量化全基因组变异、LD和纯合片段。整体PIC<0.25可能因全基因组SNP数据包含大量低频变异，而非单纯遗传多样性降低。长江群体He和π高于珠江群体，符合长江作为草鱼重要自然基因库及较大有效种群大小（effective population size, Ne）的解释；MYR及衍生群体保持较高多样性，养殖群体多样性降低则与奠基者效应、有限亲鱼数和缺乏管理的近交有关，建议每代维持50—100的最小有效种群、通过等家系贡献、SNP基因组亲缘关系指导交配、周期性引入遗传多样野生亲鱼并每代监测。群体结构分化反映两水系长期地理隔离和本地适应，养殖群体独立聚类符合封闭设施中的奠基者效应和随机遗传漂变。野生群体LD快速衰减指示历史较大Ne和频繁重组，养殖群体高LD是近期瓶颈和人工干预标志；高LD利于GWAS但遗传异质性降低可能限制选择反应。短ROH占优提示长江与珠江群体共享祖先背景；ZJJX的ROH升高可能与有效种群缩小或瓶颈有关，HNCS低ROH提示不同繁殖管理，珠江野生群体ROH较多可能与区域栖息地或群体历史差异有关。选择信号讨论中，长江群体脂质运输、外排、高密度脂蛋白组装和胆固醇代谢等信号可能与低温下维持细胞膜流动性（homeoviscous adaptation）相关，TRP通道相关通路富集提示温度感知调控，维生素D脂质依赖吸收和破骨细胞介导骨吸收提示湍急水流下骨骼延长与脂质分配的潜在权衡。珠江群体甲状腺激素信号可能促进早期生长，胰岛素和PPAR信号与脂质储存相关，DNA胞嘧啶-5-甲基转移酶活性提示表观层面适应优化，Toll、Imd和T细胞受体信号可能反映高病原负荷下免疫能力增强。区域比较中，长江中游视觉发育相关选择可能与浑浊水文和低能见度有关，下游肌肉细胞骨架和体生长通路可能与长距离洄游的能量和机械压力有关，广东段免疫和病毒防御通路可能与病原负荷有关，广西段溶酶体、胰腺分泌和Hedgehog通路可能与营养应激、食性差异和水流有关；讨论同时指出这些基因—性状关联仍需功能验证。

研究结论翻译：本研究对中国主要野生和养殖草鱼群体进行了全面基因组评估。上述结果揭示长江群体遗传多样性高于珠江群体，养殖群体遗传多样性显著降低，强调需要加强亲鱼管理。两水系间观察到明显遗传分化，反映长期地理隔离和本地适应。选择信号与不同环境压力相关：长江群体富集于脂质运输、细胞膜流动性维持和冷适应通路，珠江群体显示脂质合成与储存、生长和免疫相关通路的选择，符合各自气候和生态条件。这些发现为野生种质资源保护提供重要见解，并为环境适应和经济改良草鱼品系的定向育种提供遗传基础。