整合机器学习与转录组分析揭示了中国巴哈鱼(Bahaba taipingensis)幼鱼存活率低的分子机制

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》:Integrative machine learning and transcriptomic analysis reveals molecular mechanisms underlying low survival rate in larval Chinese Bahaba (Bahaba taipingensis)

【字体: 时间:2026年07月19日 来源:Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics 2.2

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  摘要中国鲽鱼(Bahaba taipingensis)是一种在中国特有的I类保护海洋鱼类。其幼体在人工养殖过程中的高死亡率严重阻碍了种群恢复。为探究幼体高死亡率的分子机制,本研究对自然死亡和大量死亡的个体肝脏进行了RNA-seq分析,并结合最小绝对收缩和选择运算子(LASSO)回

  

摘要

中国鲽鱼(Bahaba taipingensis)是一种在中国特有的I类保护海洋鱼类。其幼体在人工养殖过程中的高死亡率严重阻碍了种群恢复。为探究幼体高死亡率的分子机制,本研究对自然死亡和大量死亡的个体肝脏进行了RNA-seq分析,并结合最小绝对收缩和选择运算子(LASSO)回归以及随机森林(RF)算法筛选核心特征基因。共鉴定出873个差异表达基因,其中包括112个上调基因和761个下调基因。GO和KEGG富集分析显示,氨基酸代谢紊乱、一碳叶酸池功能异常、PPAR信号传导异常以及细胞外基质-受体相互作用、黏着斑通路等方面存在显著富集,表明大量死亡个体的肝脏存在广泛的代谢抑制现象,同时伴有细胞外基质重塑和信号传导异常。通过MAD预过滤并结合双重机器学习算法,最终确定了18个核心特征基因,其中SLC38A4MMP1FADDFKBP5APOB被两种算法一致认定为高频核心基因。SLC38A4在随机森林模型中的重要性得分最高,且表达显著下调,因此成为区分自然死亡与大量死亡个体的关键分子。ROC曲线分析显示,两种模型均具有1.000的AUC值(95%置信区间下限为0.610),证明了这些核心基因具备出色的区分能力。GSEA分析进一步表明,这些核心基因在自然死亡样本中存在显著富集。本研究首次系统阐明了导致中国鲽鱼存活率低的肝脏功能障碍的分子机制,这类功能障碍表现为氨基酸转运障碍、代谢重编程以及结构重塑,为该物种的健康评估、早期死亡风险预警以及人工养殖保护提供了理论依据。

引言

中国鲽鱼(Bahaba taipingensis),又称金鱙鱼、大鲽、白花鱼,是一种在中国特有的底栖暖水鱼类,主要分布于东海和南海(Liu, 2020)。该物种栖息于多种生境,成年鱼通常生活在水深50–60米的近海区域,而幼体则聚集在河口及邻近的沿海水域。B. taipingensis是肉食性鱼类,其食物种类会随着发育阶段发生变化。成年鱼主要以小型鱼类和大型甲壳类动物如虾和蟹为食,而幼体则以虾的无节幼体为食。由于过度捕捞和栖息地破坏等因素,B. taipingensis的野生种群数量急剧下降,濒临灭绝。1988年,该物种被列为国家二级重点保护水生野生动物。2006年,国际自然保护联盟将其列为“极危(CR)”物种,2022年又被提升为I类国家保护动物。作为目前中国唯一被列为I类国家保护动物的海洋鱼类,B. taipingensis被誉为“海洋大熊猫”,具有极高的科学价值和保护意义。先前的研究显示,B. taipingensis生长速度较快,成年个体的体重通常在15–30公斤之间,体长为1.0–1.5米(Lu et al., 2021; Mo et al., 2023)。较大的个体体重可达100公斤,体长可达1.8米,因此在生态、学术和工业领域都具有重要价值。为加强这一珍稀海洋物种的保护,广东省惠州市的一个研究团队经过多年技术攻关,首次在中国实现了对B. taipingensis多次自然产卵的人工控制,从而突破了其人工养殖中的关键技术瓶颈(Cui et al., 2024)。然而,B. taipingensis的幼体阶段仍然存在存活率低、畸形率高的问题,这降低了人工养殖的效率,也阻碍了种群恢复的进程(Cui et al., 2024)。因此,本研究从遗传学角度探讨基因调控如何影响B. taipingensis幼体的存活率,旨在为优化该物种的人工养殖技术及推进其保护工作提供科学依据。
高通量转录组测序(RNA-seq)技术为系统分析鱼类在不同生理状态和应激条件下的分子响应机制提供了重要技术支持。目前,众多研究利用RNA-seq技术分析鱼类在温度、盐度、应激和病原体感染等应激条件下的肝脏及免疫相关组织的转录特征,揭示了免疫反应、代谢调节和应激反应等关键生物过程的变化规律(Liu et al., 2024a, Liu et al., 2024b; Jin et al., 2025a, Jin et al., 2025b; Zhu et al., 2025)。在数据分析方面,DESeq2和limma等方法已成为差异表达分析的常用工具,而clusterProfiler富集分析方法则被广泛用于探究差异表达基因的潜在生物学功能。
近年来,机器学习方法逐渐被引入转录组学研究领域,用于从高维表达数据中筛选与疾病状态或死亡风险高度相关的关键特征基因。相关研究表明,最小绝对收缩和选择运算子(LASSO)回归以及随机森林(RF)在生物标志物筛选和分类建模方面具有较好的稳定性和可解释性(Wang et al., 2025; Ali et al., 2026)。通过将机器学习与转录组学分析相结合,研究人员已在多种疾病模型中成功识别出具有预测价值的分子标记,并通过采样稳定性分析和标签替换测试,系统评估了候选特征基因模型的稳健性以及区分信号的统计显著性(Chen and Dhahbi, 2021; Jin et al., 2025a, Jin et al., 2025b)。不过,在鱼类研究领域,将转录组学信息与机器学习方法相结合以分析相关分子机制的研究仍相对较少。越来越多的证据表明,在真骨鱼类中,肝脏是协调全身能量平衡、先天免疫活动以及细胞增殖和凋亡的核心调控器官(Zhang et al., 2024; Chen et al., 2025a; Chen et al., 2025b)。因此,迫切需要系统研究在存活率较低的条件下B. taipingensis的肝脏转录组变化。有望通过基于转录组学和机器学习的综合分析策略,为揭示B. taipingensis幼体高死亡率的潜在分子机制提供新的研究思路和方法。

章节摘录

样本采集与RNA提取

B. taipingensis幼体取自中国广东省惠州市广东黄景海洋生物科技有限公司的养殖基地通过完全人工繁殖产生的F2代群体。这些幼体来自同一批孵化,孵化后30天大,体长为1–2厘米,体重为0.20 ± 0.06克。这些鱼在直径为6.0米的陆基循环水养鱼池中饲养,每天喂食两次市售配方饲料(早晨

肝脏采集、RNA-seq数据统计与质量控制

自然死亡组和大量死亡组的肝脏在表型上没有明显差异(图S1)。两组的肝脏指数也无统计学显著差异,数值分别为0.0183 ± 0.0075克和0.0210 ± 0.0123克。本研究对6份B. taipingensis的肝脏样本进行了高通量测序,共获得132,530,439条原始读段。经过质量控制筛选后,获得了132,432,336条合格读段,总体

讨论

B. taipingensis是中国特有的珍稀海洋鱼类,其幼体存活率低长期以来一直制约着人工养殖和资源保护的进展。肝脏作为调控鱼类代谢和免疫功能的关键中枢器官,对个体的生存至关重要。本研究通过转录组测序,系统比较了自然死亡组和大量死亡组之间的肝脏基因表达谱。结合机器学习算法,进一步筛选出了核心特征基因

结论

基于转录组数据,并结合生物信息学和机器学习方法,本研究首次系统揭示了B. taipingensis幼体存活率低的肝脏分子病理特征。大量死亡组的特征表现为多种代谢途径的广泛抑制,尤其是氨基酸代谢和一碳代谢,同时伴有细胞外基质重塑、黏着斑信号传导异常以及免疫功能紊乱

CRediT作者贡献声明

Changhe Liu:撰写——初稿、方法学、数据整理。Weikai Zheng:方法学、实验研究。Yu Zhao:撰写——审阅与编辑、验证。Yannian Wu:方法学。Hao Xu:方法学。Dongling Zhang:撰写——审阅与编辑、监督、方法学、资金获取。

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划的支持(2024YFD2401400)。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
Changhe Liu|Weikai Zheng|Yu Zhao|Yannian Wu|Hao Xu|Dongling Zhang
中国农业农村部东海健康海水养殖重点实验室,厦门集美大学
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