2020-12-10
期刊：《Molecular Ecology Resources》
影響因子：6.286
近日，上海派森諾生物與上海交通大學孟和教授團隊攜手采用多平臺策略成功構建了染色體級別的雉雞基因組序列圖譜，該成果以論文題目為“Chromosome level assembly reveals a unique immune gene organization and signatures of evolution in the common pheasant”發表在生物學領域期刊《Molecular Ecology Resources》。
研究背景
雉雞(Phasianus Colchicus)，也被稱為環頸雉雞，是一種原產于亞洲的一種雀形目、雀形科(Phasianidae)的鳥類，具有長長的尾巴和五顏六色的羽毛，已被廣泛引入歐洲、美洲和澳大利亞。根據它們的形態變化分類，雉雞多達30個亞種，分布于世界各地，能夠適應不同的棲息地。這種鳥的特征具有強烈的性別二態性，常作為性選擇研究的重要模型。
雉雞的圈養歷史較長，但馴化歷史相對較短。中國環頸雉雞多數為雉雞亞種的后代。然而，與雞和鴨等完全家養的家禽不同，養殖的雉雞的遺傳改良是當務之急。而隨著養殖業的增加和家養雉雞的放生，許多本土亞種由于與野生近親在基因上混合而受到不同程度的威脅。因此，一個高質量的參考基因組對于雉雞的遺傳改良和保護是重要的。
研究思路
研究結論
01、高質量參考基因組的組裝
研究團隊采用二代測序、三代Pabio測序和Hi-C輔助基因組組裝技術，對雉雞進行了de novo測序、組裝和注釋，獲得了染色體級別的高質量雉雞參考基因組。最終組裝出的雉雞基因組大小為0.99 Gb，Contig N50達1.33 Mb，Scaffold N50達59.46 Mb，其中有11條染色體（占全基因組的74.52%），根據Busco評估表明基因組完整度為96.8%，具體組裝信息見表1。經過從頭預測、近緣物種預測和轉錄組預測最終得到23,058個蛋白編碼基因。
表1 雉雞基因組組裝結果
02、雉雞基因組核型分析
圖1 共線性比較
為了了解雉雞和已發表雞基因組在染色體水平上的相似性，將組裝好的雉雞基因組與NCBI上雞的參考基因組(Gallus Gallus 6.0)進行了共線性分析。除POC 3、4和6外，多數大型POC都與雞的大染色體相對應(圖1a)。其中，POC3和6均與雞(Gallus Gallus，GGA)2號染色體(GGA2)對應，而POC 4和POC15相加為GGA4。將雉雞基因組與火雞參考(Turkey 5.0)進行共線性分析，結果表明，POC 1-9 在火雞的大染色體上也有其對應區域(圖1b)。火雞的Meleagris Gallopavo(Meleagris Gallopavo，MGA)染色體3(MGA3)和MGA6與GGA2同源，而MGA4和MGA9相加為GGA4。為了更好地解析雉雞性染色體的序列和結構，重建了雉雞的Z和W染色體，其中Z染色體長度約為56.14Mb，重構的W染色體長度為4.08Mb。
03、系統發育樹和分歧進化時間估算
圖2
通過同源基因分析，發現在鳥類內部以及鳥類、爬行動物和哺乳動物之間發現了基因互補的大規模差異。從16個物種中獲得了34,976個基因家族。雉雞共有16,208個基因分布在13,267個基因家族中，其中11,211個是單拷貝同源基因。在這些基因家族中，有1235個是家養雉雞特有的。在普通雉雞的蛋白質編碼基因序列中，可以在雞、火雞中分別識別出11,245，10,682個成對同源基因(圖2a)。
通過13種物種的系統發育樹的結果可知火雞與普通雉雞的親緣關系最近，分歧進化時間估算結果表明雉雞與火雞的分化時間大約在24.70萬-34.50百萬年前(Mya)。據推測，雉雞和火雞的共同祖先大約在36.17 Mya左右與雞和日本鵪鶉的共同祖先發生了分化。
04、雉雞基因家族分析
基因家族分析結果顯示，雉雞和火雞的共同祖先有974個基因家族發生了擴張，1408個基因家族出現收縮(圖2b)。通過對這些進化中變化的基因家族分析，確定了66個在雉雞譜系中處于加速進化中的基因家族。值得一提的是，在雉雞基因組中發現了8個免疫相關基因家族，如與FFAR3、CD8A、SCART1、CLEC2D和IGHV同源的基因。除上述蛋白外，其余大多數基因家族都與鈣信號有關，如PCDH1、TPM1、RGPD8、CBARP和ITPRIPL1。對這2382個擴張和收縮的基因家族進行基因富集分析，其中豐富的途徑是鈣信號途徑，以及黑色素生物合成過程和擴展的角蛋白基因家族，這可能與雉雞的羽毛形成機制有關。
為了探究雉雞是否存在特異性選擇，分析了普通雉雞、雞、珍珠雞、日本鵪鶉和火雞中7533個同源基因的非同義替換率/同義替換率(DN/DS)進行正向選擇分析，檢索到39個在雉雞中受到顯著正選擇的基因，其中一些基因也與鈣有關，如PCDH9、STIM1、ILK和S100A16。
05、MHC-B區域分析
圖3
研究發現了雉雞的免疫重要基因-主要組織相容性復合體（MHC）基因序列存在不同的排列模式，既相較于家雞祖先紅原雞存在3個大片段的染色體倒位，暗示著雉雞免疫系統在進化過程中曾經經歷過特殊的事件。
隨后，作者用雞、火雞、金雞、雉雞、日本鵪鶉和黑松雞的MHC-B部分序列構建了系統發育樹(圖3b)，結果與用同源基因構建的物種進化樹樹形一致。
06、雉雞的群體遺傳學研究
圖4
隨后，對在外觀，生長和生產性狀上存在差異自五個品種的15只雌性雉雞進行了全基因組重測序。共鑒定出3,024,631個Indel位點和16,330,279個SNP位點。過濾后，11,491,081個高質量的SNPs被用于后續分析。
進化樹和主成分分析結果顯示，5個品種各組成一個類群，遺傳多樣性和歷史種群大小分析表明，R和M品種的Ne略高于其他三個品種，說明可能它們更接近它們的野生近親。此外，由于所有五個品種的Tajima's D都相對較高，推測國內雉雞可能因育種過程而面臨遺傳瓶頸。
群體分化指數(FST)研究結果顯示，在品種Mt、品種M、品種S和品種B中，分別有76.1、68.3、58.6和61.4Mb的基因組區域具有較強的選擇性掃描信號(圖4d)。富集分析結果表明，體型較小的頸雞和體型較大的神紅雉雞之間存在單一的糖胺多糖生物合成途徑--硫酸軟骨素/硫酸皮膚素的差異，該途徑在廣泛的生物學過程中非常重要，影響發育、損傷后的再生、生長因子信號的調節以及細胞遷移等過程，考慮到這兩個品種之間明顯的差異是體重，推測這一現象可能是由于人工選擇的作用。
結 論
1、實現了雉雞高分辨率、染色體水平的基因組組裝。該基因組的N50大小為1.33Mb，ScaffoldN50大小為59.46Mb，包含23,058個基因和大約99.4Mb的散布重復序列。
2、核型和系統發育分析表明，雉雞是火雞的姊妹種，在24.7~34.5 Ma之間出現分化；
3、基因組中發現在一系列鈣相關基因中發生了拷貝數改變和特異性正選擇，在雉雞的適應性進化中起著重要作用；
4、組裝了雉雞完整的MHC-B區域，從而擴展了MHC的光譜，為進一步研究禽類MHC基因的進化和家禽免疫提供了有價值的資源；
5、對國內雉雞品種進行了基因組重測序群體遺傳學分析，找到了與家養雉雞體重相關的人工選擇區域，揭示了生產性狀的人工選擇信號。
最后我們再次祝賀孟老師團隊在雉雞基因組學研究方面取得突出成果。上海派森諾生物為您提供動植物de novo、動植物全基因組重測序服務，期待能夠與各位老師們合作展示出更多更好的研究成果。
