整合QTL定位与转录组分析鉴定卵形鲳鲹肌肉粗脂肪含量及脂肪酸组成相关候选基因

《Fishes》：Integrative QTL and Transcriptomic Analyses Identify Candidate Genes Associated with Muscle Crude Fat Content and Fatty Acid Composition in Trachinotus ovatus

　　

： 肌肉粗脂肪含量与脂肪酸组成是卵形鲳鲹（Trachinotus ovatus）重要的肉质性状，然而其遗传与分子基础仍知之甚少。本研究整合数量性状位点（quantitative trait locus，QTL）定位、脂肪酸谱分析和转录组分析，以鉴定与肌肉脂质性状相关的基因组区域及候选基因。研究人员对来自单一F1全同胞家系的143个个体进行了粗脂肪含量测定，结果显示该性状存在显著变异（变异系数CV = 43.13%）。多QTL模型（multiple-QTL model，MQM）定位在8个连锁群上鉴定出9个达到连锁群显著水平的QTL，可解释10.1%–13.9%的表型方差。在QTL支持区间内共鉴定出31个候选基因，包括脂质代谢相关基因 gpat4、dgat2、acaca、chrebp、mogat2、dgat1、atgl、scd2、abcg5 和 abcg8。对24个个体进行的脂肪酸谱分析共检测到23种脂肪酸，其中22种与粗脂肪含量呈正相关，C18:1n9c 相关性最强（Spearman's ρ = 0.71，FDR < 0.01）。对3个高脂和3个低脂个体的肝脏转录组分析鉴定出1311个差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）。QTL与转录组数据的整合分析在QTL支持区间内鉴定出7个DEGs，其中 acaca 和 dgat1 成为关键重叠候选基因。这两个基因在高粗脂肪组中均上调表达。ACACA 介导脂肪酸从头合成的关键步骤，而 DGAT1 催化三酰甘油合成的最后一步，提示它们在脂质合成与储存中发挥重要作用。这些发现鉴定了与肌肉粗脂肪含量及脂肪酸组成相关的基因组区域和候选基因，为卵形鲳鲹肉质脂质品质的功能验证和标记辅助改良提供了基础。

论文解读：

一、研究背景与科学问题

卵形鲳鲹（Trachinotus ovatus）是我国南方沿海广泛养殖的重要海水经济鱼类。随着集约化养殖和选择育种的推进，除生长和抗逆等传统生产性状外，肉质品质性状的改良日益受到重视。肌肉脂肪含量和脂肪酸组成是肉质品质的核心组成，直接影响鱼肉的营养特性和生化性质。以往对卵形鲳鲹的营养学研究主要关注饲料脂质水平和脂肪酸供给对组织脂质组成及脂质代谢基因表达的影响，表明脂质相关表型受复杂的代谢调控。然而，相较于营养调控，该物种肌肉脂质性状个体间变异的遗传基础仍缺乏系统研究。

在其他水产养殖物种中，肌肉脂肪含量和脂肪酸组成已被证实具有可观的遗传分量。鲤鱼（Cyprinus carpio）的QTL定位发现了解释较大比例表型方差的肉质脂肪含量全基因组显著位点；大西洋鲑（Salmo salar）的全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS）鉴定了与鱼片脂肪含量及长链n-3脂肪酸组成相关的基因组区域，其中包括与脂肪酸延长直接相关的 elovl2 基因附近的关联信号；金头鲷（Sparus aurata）的基因组分析亦显示肌肉脂肪、二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）含量具有中等遗传力。然而，基因组定位往往在区域内包含多个位置候选基因，仅凭定位结果难以确定哪些基因真正参与表型变异及其作用通路。因此，将基因组定位与功能分子信息相结合，对于精炼候选基因、阐明肌肉脂质性状的调控机制至关重要。

转录组分析可通过鉴定与对比脂质表型相关的基因表达变化和生物学通路来弥补上述缺口。在卵形鲳鲹中，已有肝脏转录组研究揭示了与高不饱和脂肪酸摄取和代谢相关的协调转录响应，饲料脂质实验也证实了营养感应和脂质代谢通路的广泛调控。近年来，基因组与转录组信息的整合分析在水产养殖物种脂质性状的生物学解析中展现出重要潜力。尽管基因组方法已应用于卵形鲳鲹的生长和低氧耐受研究，但将遗传作图、脂肪酸表型分析和转录组分析相结合以探究肌肉粗脂肪含量和脂肪酸组成变异的整合研究仍十分有限。

基于上述背景，本研究旨在整合QTL定位、脂肪酸表型分析和肝脏转录组分析，系统探究卵形鲳鲹F1全同胞家系中肌肉脂质变异的遗传与转录基础，具体目标包括：鉴定与肌肉粗脂肪含量相关的基因组区域；解析肌肉脂肪酸组成，明确粗脂肪含量与各脂肪酸含量间的关系，并比较对比表型个体间的肝脏转录谱；整合基因组定位与差异表达信息以优先筛选候选基因。

二、研究内容与主要结论

研究人员建立了2023年4月于海南蓝粮科技有限公司构建的单一F1全同胞家系，共300个F1后代用于遗传连锁图谱构建，其中143个个体在孵化后6个月时进行了肌肉粗脂肪含量测定。粗脂肪含量采用索氏抽提法测定，平均值为6.38 g/100 g，变异系数为43.26%，性状呈连续分布且符合正态性，为遗传作图提供了合适的表型基础。从143个个体中按粗脂肪含量分层随机选取24个个体进行脂肪酸谱分析，共检测到23种脂肪酸。总脂肪酸平均含量为7.11 ± 2.21 g/100 g，其中单不饱和脂肪酸（ΣMUFA，2.61 ± 0.85 g/100 g）和多不饱和脂肪酸（ΣPUFA，2.57 ± 1.08 g/100 g）含量相当且均高于饱和脂肪酸（ΣSFA，1.93 ± 0.70 g/100 g）。相关性分析显示，23种脂肪酸中有22种与肌肉粗脂肪含量呈显著正相关，其中C18:1n9c相关性最强（ρ = 0.71，FDR < 0.01），其次为C20:1（ρ = 0.68）、C16:0（ρ = 0.68）和C16:1（ρ = 0.66），而C20:4n6相关性弱且不显著（ρ = 0.20）。

QTL定位采用MapQTL 5.0软件，先以1-cM间隔进行区间作图（interval mapping，IM），再以峰值附近SNP标记作为遗传协因子进行多QTL模型（MQM）作图，通过1000次置换检验确定显著性阈值。MQM作图在8个连锁群（LG4、LG10、LG11、LG14、LG21、LG22、LG23和LG24）上共鉴定出9个与肌肉粗脂肪含量相关的QTL，其中LG10上检测到两个QTL（qFA10-1和qFA10-2），其余连锁群各一个。LOD值范围为3.05–4.56，均超过连锁群显著性阈值（2.7–3.2），但均未达到全基因组阈值4.8。qFA10-2的LOD值最高（4.56），解释的表型方差比例最大（PVE = 13.9%），其次为qFA22-1（LOD = 4.54，PVE = 13.8%）和qFA23-1（LOD = 4.29，PVE = 12.9%）。各QTL单独解释10.0%–13.9%的表型方差。QTL置信区间范围为0.22 cM（qFA21-1）至26.38 cM（qFA10-2），其中三个QTL区间窄于1 cM。

对QTL 1.5-LOD支持区间内基因进行功能注释，鉴定出多个参与脂质代谢的候选基因，包括参与甘油酯和三酰甘油合成的 gpat4、dgat2、dgat 和 mogat2，参与脂肪酸从头合成的关键酶 acaca，与脂肪酸延长和去饱和相关的 hsd17b12-like 和 scd2，参与脂质和甾醇转运的 stard7 和 abcg5/abcg8，与胆固醇代谢相关的 ch25hl1.1 和 ch25hl1.2，参与三酰甘油水解的 atgl，参与鞘磷脂生物合成的 sgms1，以及脂肪生成相关转录调控因子 chrebp。

肝脏转录组分析选取6个表型最极端的个体，其中高脂组3个个体（粗脂肪14.73 ± 1.01 g/100 g，脂肪酸11.43 ± 0.13 g/100 g），低脂组3个个体（粗脂肪8.40 ± 0.08 g/100 g，脂肪酸8.21 ± 0.14 g/100 g）。每个样本平均产生3.28 Gb的clean data，Q30值超过93%，组内生物学重复间Pearson相关系数均大于0.934。共鉴定出1311个DEGs，其中高脂组相对于低脂组有1207个上调、104个下调。GO功能分类显示DEGs主要涉及代谢过程、细胞过程、生物调节和刺激响应等生物学过程，以及催化活性和结合等分子功能。KEGG通路富集分析显示DEGs参与多种代谢和信号通路，包括辅因子生物合成、色氨酸代谢、缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸降解、乙醛酸和二羧酸代谢、赖氨酸降解，以及甲状腺激素、昼夜节律、Hippo和Rap1信号通路等，其中包含多个与脂质代谢相关的显著富集通路。

QTL与转录组整合分析将QTL 1.5-LOD支持区间内基因与1311个DEGs取交集，共获得7个重叠基因，且均在高粗脂肪/高脂肪酸组中显著上调。其中 acaca、dgat1、nrip1、ncor1 和 ksr1 位于LG10的qFA10-2区间，cchcr1 与qFA10-1相关，stard7 与LG4的qFA4-1相关。进一步分析发现，SNP标记M2572位于 acaca 上游约17 kb处，M2579位于 dgat1 编码区（CDS）内，两个标记均位于qFA10-2区域。研究人员选取10个脂质代谢相关DEGs进行qRT-PCR验证，结果显示qRT-PCR与RNA-seq的差异表达方向一致，支持了RNA-seq表达模式的可靠性。

三、讨论与结论

本研究通过整合QTL定位、脂肪酸表型分析和肝脏转录组分析，系统探究了卵形鲳鲹肌肉粗脂肪变异的遗传基础。鉴定出的9个连锁群显著QTL分布于8个连锁群，各QTL单独解释10.1%–13.9%的表型方差，其中qFA10-2效应最强。多个中等效应QTL的分布模式与水产养殖物种中肌肉脂质性状的数量性状和多基因遗传特性一致。尽管所有QTL均超过连锁群特异性阈值，但均未达到全基因组显著水平，因此应视为候选QTL区域，需在独立群体中进一步验证。

脂肪酸分析显示，肌肉粗脂肪含量的升高普遍伴随大多数脂肪酸绝对含量的增加，而非局限于单一脂肪酸类别。由于相关性基于脂肪酸绝对含量计算，广泛的正相关可能主要反映总肌肉脂质积累的增加，而非相对脂肪酸组成的变化。qFA10-2区域内 acaca 和 dgat1 的定位具有重要的代谢意义：ACACA催化丙二酰辅酶A的生成，是脂肪酸从头合成的关键底物；DGAT1催化三酰甘油合成的最后一步，直接贡献于脂质储存。既往卵形鲳鲹研究亦将乙酰辅酶A羧化酶（ACC）表达与肌肉脂质积累、dgat1 与脂质沉积相关联。

研究人员指出本研究存在以下局限：QTL定位基于单一F1全同胞家系，可能限制QTL向其他遗传背景的推广；脂肪酸谱分析仅涉及24个个体，可能限制统计精度和普遍性；QTL和候选基因未在独立家系或育种群体中验证；索氏抽提法可能低估总脂质含量，尤其当个体间极性脂质比例存在差异时。未来研究需在更大样本量、更多家系或遗传多样群体中验证QTL和标记-性状关联，探究 acaca 和 dgat1 在肌肉脂质代谢中的功能作用，并评估这些候选位点在标记辅助选择育种中的应用潜力。

研究结论： 本研究整合QTL定位、脂肪酸谱分析和肝脏转录组分析，探究了卵形鲳鲹（T. ovatus）肌肉脂质沉积的遗传基础。共鉴定出9个连锁群显著QTL，但均未达到全基因组显著水平，其中LG10上的qFA10-2具有最高LOD值。肌肉粗脂肪含量与23种检测脂肪酸中22种的绝对浓度呈正相关，表明较高的肌肉粗脂肪含量通常伴随大多数脂肪酸的更大积累。QTL与转录组整合分析进一步突出qFA10-2内的 acaca 和 dgat1 作为与肌肉脂质沉积相关的有前景候选基因。值得注意的是，M2572位于 acaca 上游约17 kb处，M2579位于 dgat1 编码序列内。这些发现为理解卵形鲳鲹肌肉脂质沉积的潜在遗传和分子机制提供了见解。未来研究应在更大规模和遗传多样化的群体中验证所鉴定的QTL和标记-性状关联，探究 acaca 和 dgat1 在肌肉脂质代谢中的功能作用，并评估这些候选位点在标记辅助选择育种中的应用潜力。