2020-12-10
期刊：《Molecular Ecology Resources》
影响因子：6.286
近日，上海派森诺生物与上海交通大学孟和教授团队携手采用多平台策略成功构建了染色体级别的雉鸡基因组序列图谱，该成果以论文题目为“Chromosome level assembly reveals a unique immune gene organization and signatures of evolution in the common pheasant”发表在生物学领域期刊《Molecular Ecology Resources》。
研究背景
雉鸡(Phasianus Colchicus)，也被称为环颈雉鸡，是一种原产于亚洲的一种雀形目、雀形科(Phasianidae)的鸟类，具有长长的尾巴和五颜六色的羽毛，已被广泛引入欧洲、美洲和澳大利亚。根据它们的形态变化分类，雉鸡多达30个亚种，分布于世界各地，能够适应不同的栖息地。这种鸟的特征具有强烈的性别二态性，常作为性选择研究的重要模型。
雉鸡的圈养历史较长，但驯化历史相对较短。中国环颈雉鸡多数为雉鸡亚种的后代。然而，与鸡和鸭等完全家养的家禽不同，养殖的雉鸡的遗传改良是当务之急。而随着养殖业的增加和家养雉鸡的放生，许多本土亚种由于与野生近亲在基因上混合而受到不同程度的威胁。因此，一个高质量的参考基因组对于雉鸡的遗传改良和保护是重要的。
研究思路
研究结论
01、高质量参考基因组的组装
研究团队采用二代测序、三代Pabio测序和Hi-C辅助基因组组装技术，对雉鸡进行了de novo测序、组装和注释，获得了染色体级别的高质量雉鸡参考基因组。最终组装出的雉鸡基因组大小为0.99 Gb，Contig N50达1.33 Mb，Scaffold N50达59.46 Mb，其中有11条染色体（占全基因组的74.52%），根据Busco评估表明基因组完整度为96.8%，具体组装信息见表1。经过从头预测、近缘物种预测和转录组预测最终得到23,058个蛋白编码基因。
表1 雉鸡基因组组装结果
02、雉鸡基因组核型分析
图1 共线性比较
为了了解雉鸡和已发表鸡基因组在染色体水平上的相似性，将组装好的雉鸡基因组与NCBI上鸡的参考基因组(Gallus Gallus 6.0)进行了共线性分析。除POC 3、4和6外，多数大型POC都与鸡的大染色体相对应(图1a)。其中，POC3和6均与鸡(Gallus Gallus，GGA)2号染色体(GGA2)对应，而POC 4和POC15相加为GGA4。将雉鸡基因组与火鸡参考(Turkey 5.0)进行共线性分析，结果表明，POC 1-9 在火鸡的大染色体上也有其对应区域(图1b)。火鸡的Meleagris Gallopavo(Meleagris Gallopavo，MGA)染色体3(MGA3)和MGA6与GGA2同源，而MGA4和MGA9相加为GGA4。为了更好地解析雉鸡性染色体的序列和结构，重建了雉鸡的Z和W染色体，其中Z染色体长度约为56.14Mb，重构的W染色体长度为4.08Mb。
03、系统发育树和分歧进化时间估算
图2
通过同源基因分析，发现在鸟类内部以及鸟类、爬行动物和哺乳动物之间发现了基因互补的大规模差异。从16个物种中获得了34,976个基因家族。雉鸡共有16,208个基因分布在13,267个基因家族中，其中11,211个是单拷贝同源基因。在这些基因家族中，有1235个是家养雉鸡特有的。在普通雉鸡的蛋白质编码基因序列中，可以在鸡、火鸡中分别识别出11,245，10,682个成对同源基因(图2a)。
通过13种物种的系统发育树的结果可知火鸡与普通雉鸡的亲缘关系最近，分歧进化时间估算结果表明雉鸡与火鸡的分化时间大约在24.70万-34.50百万年前(Mya)。据推测，雉鸡和火鸡的共同祖先大约在36.17 Mya左右与鸡和日本鹌鹑的共同祖先发生了分化。
04、雉鸡基因家族分析
基因家族分析结果显示，雉鸡和火鸡的共同祖先有974个基因家族发生了扩张，1408个基因家族出现收缩(图2b)。通过对这些进化中变化的基因家族分析，确定了66个在雉鸡谱系中处于加速进化中的基因家族。值得一提的是，在雉鸡基因组中发现了8个免疫相关基因家族，如与FFAR3、CD8A、SCART1、CLEC2D和IGHV同源的基因。除上述蛋白外，其余大多数基因家族都与钙信号有关，如PCDH1、TPM1、RGPD8、CBARP和ITPRIPL1。对这2382个扩张和收缩的基因家族进行基因富集分析，其中丰富的途径是钙信号途径，以及黑色素生物合成过程和扩展的角蛋白基因家族，这可能与雉鸡的羽毛形成机制有关。
为了探究雉鸡是否存在特异性选择，分析了普通雉鸡、鸡、珍珠鸡、日本鹌鹑和火鸡中7533个同源基因的非同义替换率/同义替换率(DN/DS)进行正向选择分析，检索到39个在雉鸡中受到显著正选择的基因，其中一些基因也与钙有关，如PCDH9、STIM1、ILK和S100A16。
05、MHC-B区域分析
图3
研究发现了雉鸡的免疫重要基因-主要组织相容性复合体（MHC）基因序列存在不同的排列模式，既相较于家鸡祖先红原鸡存在3个大片段的染色体倒位，暗示着雉鸡免疫系统在进化过程中曾经经历过特殊的事件。
随后，作者用鸡、火鸡、金鸡、雉鸡、日本鹌鹑和黑松鸡的MHC-B部分序列构建了系统发育树(图3b)，结果与用同源基因构建的物种进化树树形一致。
06、雉鸡的群体遗传学研究
图4
随后，对在外观，生长和生产性状上存在差异自五个品种的15只雌性雉鸡进行了全基因组重测序。共鉴定出3,024,631个Indel位点和16,330,279个SNP位点。过滤后，11,491,081个高质量的SNPs被用于后续分析。
进化树和主成分分析结果显示，5个品种各组成一个类群，遗传多样性和历史种群大小分析表明，R和M品种的Ne略高于其他三个品种，说明可能它们更接近它们的野生近亲。此外，由于所有五个品种的Tajima's D都相对较高，推测国内雉鸡可能因育种过程而面临遗传瓶颈。
群体分化指数(FST)研究结果显示，在品种Mt、品种M、品种S和品种B中，分别有76.1、68.3、58.6和61.4Mb的基因组区域具有较强的选择性扫描信号(图4d)。富集分析结果表明，体型较小的颈鸡和体型较大的神红雉鸡之间存在单一的糖胺多糖生物合成途径--硫酸软骨素/硫酸皮肤素的差异，该途径在广泛的生物学过程中非常重要，影响发育、损伤后的再生、生长因子信号的调节以及细胞迁移等过程，考虑到这两个品种之间明显的差异是体重，推测这一现象可能是由于人工选择的作用。
结 论
1、实现了雉鸡高分辨率、染色体水平的基因组组装。该基因组的N50大小为1.33Mb，ScaffoldN50大小为59.46Mb，包含23,058个基因和大约99.4Mb的散布重复序列。
2、核型和系统发育分析表明，雉鸡是火鸡的姊妹种，在24.7~34.5 Ma之间出现分化；
3、基因组中发现在一系列钙相关基因中发生了拷贝数改变和特异性正选择，在雉鸡的适应性进化中起着重要作用；
4、组装了雉鸡完整的MHC-B区域，从而扩展了MHC的光谱，为进一步研究禽类MHC基因的进化和家禽免疫提供了有价值的资源；
5、对国内雉鸡品种进行了基因组重测序群体遗传学分析，找到了与家养雉鸡体重相关的人工选择区域，揭示了生产性状的人工选择信号。
最后我们再次祝贺孟老师团队在雉鸡基因组学研究方面取得突出成果。上海派森诺生物为您提供动植物de novo、动植物全基因组重测序服务，期待能够与各位老师们合作展示出更多更好的研究成果。
