微共线性分析阐明了鲤形目鱼类的早期分化

《Systematic Biology》：Microsynteny Analysis Clarifies the Early Diversification of Cypriniform Fishes

　　

摘要

虽然基因组数据对系统发育推断具有强大的信息量，但传统的基于序列的分析可能会受到同塑性和不完全谱系排序等问题的干扰，导致深层节点无法解析。共线性，即染色体上基因顺序的保守性，提供了一种有前景的系统发育信息替代来源，它可能不太容易受到这些问题的影响。在此，我们比较了基于序列和基于共线性的系统发育基因组学方法，以揭示鲤形目的演化历史，鲤形目是淡水鱼类中物种最丰富的谱系之一。该分支一直受到不确定性的困扰，特别是关于其四个主要亚分支之间的系统发育关系：平鳍鳅科（藻食鱼）、吸口鲤科（吸口鱼）、条鳅总科（条鳅）和鲤总科（鲃鱼和鲤鱼）。系统发育基因组学方法需要高质量的基因组资源，而平鳍鳅科家族缺乏此类资源，这对于理解鲤形目演化是一个关键谱系。为此，我们为中国藻食鱼（Gyrinocheilus aymonieri）生成了第一个染色体水平的基因组组装和注释。我们利用这一新基因组以及另外 42 个鱼类基因组进行了全面的系统发育基因组学分析，并比较了基于序列的方法和基于微共线性方法的结果。虽然鲤形目之间的染色体水平宏观共线性普遍保守，但我们证明了微共线性在解析深层系统发育节点方面具有令人印象深刻的力量。基于序列和基于微共线性的分析均发现，平鳍鳅科是所有其他鲤形目的姐妹群，解决了长期存在的系统发育争议点。然而，虽然基于序列的分析对剩余亚分支之间的关系提供了较弱的支持，但我们的微共线性分析揭示了吸口鲤科和鲤总科之间一种新颖且支持度强的姐妹关系。与替代拓扑结构相比，这一结论得到了 3 到 12 倍更多的共享微共线性簇（共源衍生性状）的支持。我们还证明，微共线性共源衍生性状往往源于基因家族扩张。集中在特定基因组区域的共线性保守性可能蕴含了这些分支独特方面的基因组基础，并在这些类群的演化历史中发挥了重要作用。综上所述，这些结果为鲤形目提供了可靠的系统发育基因组骨架。更广泛地说，我们的发现突出了微共线性在解析序列数据无信息的顽固系统发育节点方面的力量，同时也强调了高质量参考基因组的关键重要性，因为我们的工作也表明，包含碎片化组装可能导致虚假结果。除了系统发育基因组学之外，我们的结果还提供了功能基因组学的见解，揭示了保守的、分支特异性的共线性基因块（共线性共源衍生性状）可能如何促成了这个超多样性分支的独特性和演化成功。