研究人員確定了與巨型亞馬遜魚類中性別分化相關(guān)的基因

巴西和德國科學(xué)家已經(jīng)完成了一項(xiàng)合作項(xiàng)目，對(duì)Arapaima gigas的全基因組進(jìn)行測序和分析，Arapaima gigas是一種在巴西被稱為pirarucu和其他地方作為arapaima或paiche的巨型淡水魚。其增長速度是已知淡水魚類中增長最快的。其自然分布覆蓋了秘魯和巴西的大部分亞馬遜河流域。

該研究促成了有助于早期確定性別的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了雌性和雄性魚苗的性別特異性繁殖和銷售。它還為進(jìn)一步研究該物種的遺傳改良鋪平了道路。

合作始于2015年，當(dāng)時(shí)德國維爾茨堡大學(xué)的遺傳學(xué)家Manfred Schartl與生物學(xué)家RafaelHenriqueNóbrega及其當(dāng)時(shí)的博士生聯(lián)系。學(xué)生Marcos Antonio de Oliveira。奧利維拉從巴西博托卡圖的圣保羅州立大學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖中心獲得博士學(xué)位。

Nóbrega是該大學(xué)生物科學(xué)研究所(IB-UNESP)的教授，他提議在A. gigas的性別決定和分化機(jī)制研究方面進(jìn)行合作。

“它是世界上最大的淡水魚和具有相當(dāng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的標(biāo)志性亞馬遜物種，因此Schartl感到驚訝的是它的基因組在當(dāng)時(shí)是未知的，遺傳標(biāo)記尚未被確定用于性別決定，”Nóbrega說。

Nóbrega解釋說，青少年沒有性別相關(guān)的次生表型差異，因此在早期發(fā)育過程中，男性和女性不能通過形態(tài)來區(qū)分。有關(guān)性別決定和分化機(jī)制的信息是巴西水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的重要進(jìn)展。

Schartl及其小組專門研究魚類中的性別決定基因，并了解這一豐富多樣的脊椎動(dòng)物群體中的性別分化機(jī)制。

青少年成熟前的早期性別決定，當(dāng)雄性和雌性在形態(tài)和表型上分化時(shí)，是研究魚類生殖周期的關(guān)鍵步驟。

提升知識(shí)

的基因組草圖A.牡蠣是發(fā)表研究人員在帕拉州和里奧格蘭德聯(lián)邦大學(xué)于2018年9月做北，其他機(jī)構(gòu)之間。

最近由Nóbrega，Oliveira和合作者進(jìn)行的測序?qū)е铝酥匾倪z傳發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)與巨人癥和快速生長等特征有關(guān)。它還表明，物種的性別決定和分化與XY染色體性別決定系統(tǒng)相容。

“雖然A. gigas沒有可以通過組織細(xì)胞分析進(jìn)行細(xì)胞學(xué)檢測的異形性染色體，但我們只確定了支持XY染色體性別測定系統(tǒng)存在的雄性標(biāo)記，”Nóbrega說。

2015年，Oliveira前往位于巴西北部阿克里州Rio Branco附近Senador Guiomard的一個(gè)名為PeixesdaAmazônia的養(yǎng)魚場，收集了來自60名成年人(30名男性和30名女性)的A. gigas小魚片。。

該材料被送到Schartl的實(shí)驗(yàn)室，在那里從60個(gè)樣本中的每個(gè)樣本中取樣DNA。然后在法國由雷恩和圖盧茲國家農(nóng)業(yè)研究所和蒙彼利埃大學(xué)的研究人員對(duì)DNA進(jìn)行測序。

“獲得了雄性和雌性不同大小的基因組。雄性基因組有6.66億個(gè)堿基對(duì)，而女性基因組有6.64億個(gè)。隨著魚類基因組的進(jìn)入，它們都非常小，只有人類基因組大小的五分之一，擁有30億個(gè)堿基對(duì)，“奧利維拉說。

將A. gigas的基因組與另一種bony tongue(亞洲龍魚Scleropages formosus)的基因組進(jìn)行比較，這是唯一一種具有測序基因組的Osteoglossiformes。它還與屬于各種順序的其他10種物種的基因組進(jìn)行了比較，如歐洲鰻(安圭拉鰻)，大西洋鱈魚(Gadus morhua)，尼羅羅非魚(Oreochromis niloticus)，Torafugu(Takifugu rubripes)，斑馬魚(Danio rerio)和原始的腔棘魚(Latimeria spp。)，它們?cè)?億年前發(fā)展起來，從那以后幾乎沒有變化。

“構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹，表明所研究物種的祖先可能存在分歧時(shí)間。它們?cè)谶z傳上的關(guān)系越密切，分裂事件之間的時(shí)間就越短.Arapaima和其他bonytongues所屬的Osteoglossiformes順序進(jìn)化了1340萬年前，即同時(shí)南美洲和非洲在南大西洋開放前開始分離，“Nóbrega說。

分析的10個(gè)物種中最接近的親屬是A. anguilla，它在2億年前與arapaimas和其他bonytongues有共同的祖先。

適應(yīng)成功

研究人員還著手識(shí)別A. gigas基因組中正面選擇的基因，這意味著由譜系的適應(yīng)性進(jìn)化產(chǎn)生的基因，并且通常與該物種的新增或選擇的功能相關(guān)。

“實(shí)際上，我們?cè)贏. gigas中鑒定了105個(gè)正選擇的基因，其中一些與生長和細(xì)胞分裂有關(guān)，”Nóbrega說。

數(shù)據(jù)表明，這種魚類的壯觀的早期生長和巨大的種類是其適應(yīng)性成功的關(guān)鍵。在研究人員研究的任何其他物種中都沒有觀察到這種特征。

遺傳分析表明，這些陽性選擇基因的功能主要與肌肉發(fā)育有關(guān)，并導(dǎo)致其體型較大。

水產(chǎn)養(yǎng)殖和性發(fā)展

A. gigas長度可達(dá)3米，重達(dá)220公斤。Osteoglossiformes，它所屬的順序，是源自岡瓦納的一大群淡水魚類，岡瓦納古老的超大陸在大約1.4億年前開始分裂，形成現(xiàn)在的南美洲，非洲，印度，南極洲和澳大利亞。

由于分裂和陸地漂移持續(xù)了數(shù)百萬年，現(xiàn)存的Osteoglossiformes譜系現(xiàn)在高度適應(yīng)淡水生活，無法在咸水中生存，并被巨大的海洋隔開。

A. gigas僅在亞馬遜盆地發(fā)現(xiàn)。它的最近親屬，10種龍魚，分布在四大洲：南美洲(三種)，非洲(一種)，亞洲(四種)和澳大利亞(兩種)。

“嬰兒出生后每年體重10至15公斤，食物轉(zhuǎn)化率非常高，”Nóbrega說。每消耗一公斤食物，它們就會(huì)增加700克。

此外，arapaimas是專用空氣呼吸器，從大氣中獲取高達(dá)95%的氧氣吸收量。蛻皮退化使它們具有適應(yīng)性優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兛梢匀萑趟鼈儣⒌乃袠O低的氧含量，而其他物種則無法存活。

“這種不尋常的適應(yīng)性組合使得A. gigas成為水產(chǎn)養(yǎng)殖的有希望的候選者。亞馬遜地區(qū)有許多小型養(yǎng)魚場，但到目前為止，大規(guī)模生產(chǎn)已證明是不可行的，”Nóbrega說。

困難的部分原因是對(duì)其性發(fā)育知識(shí)不足，因此它可以在人工飼養(yǎng)中成功繁殖，缺乏有關(guān)其快速生長和巨人癥所涉及的分子和生化機(jī)制的信息。

“我們知道的一件事是A. gigas在四歲半時(shí)變得性成熟[該物種被認(rèn)為長達(dá)100年]。性別二態(tài)性出現(xiàn)在生殖階段，當(dāng)男性的鱗片顏色變紅時(shí)將它們與女性區(qū)分開來，“奧利維拉說。

為了找到盡早確定青少年性別的方法，Nóbrega及其同事尋找“性標(biāo)記” - 基因組中與一種性別或另一種性別明確相關(guān)的部分。

由于A. gigas沒有性染色體(男性和女性的染色體不同)，研究人員專注于識(shí)別男性而非女性的分子標(biāo)記或基因組區(qū)域，反之亦然。

他們首先繪制了限制性位點(diǎn)相關(guān)DNA(RAD)標(biāo)記，這是一種用于研究群體遺傳學(xué)，生態(tài)遺傳學(xué)和進(jìn)化的技術(shù)。“基于對(duì)來自25名男性和25名女性的遺傳物質(zhì)中存在的RAD標(biāo)記物的分析，發(fā)現(xiàn)30個(gè)RAD標(biāo)記物存在于大多數(shù)雄性中，但在大多數(shù)雌性中不存在，”Nóbrega說。

盡管缺乏性染色體，但研究人員檢測到RAD標(biāo)記能夠顯示幼年是否在遺傳測試中是男性。“事實(shí)上，數(shù)據(jù)指向男性特有的特定基因組區(qū)域，而女性沒有，因此可以認(rèn)為它與XY染色體性別決定系統(tǒng)兼容，”Nóbrega說。

分泌器官

A. gigas以稱為父母照顧的分泌器官的形式顯示與生殖相關(guān)的形態(tài)學(xué)特征。雄性和雌性頭部的腺體缺乏性別特異性的形態(tài)差異。

在生殖期間，腺體分泌乳狀液體，被認(rèn)為可為后代提供營養(yǎng)。Nóbrega說：“這些液體在幼魚發(fā)育成魚苗時(shí)會(huì)喂養(yǎng)它們。”

男性從事父母照顧并與后代待在一起長達(dá)三個(gè)月，而女性在大約一個(gè)月后離開。

“我們從男性和女性那里采集分泌器官組織樣本，以分析轉(zhuǎn)錄組 - 組織中的全套轉(zhuǎn)錄序列，包括信使RNA，核糖體RNA，轉(zhuǎn)運(yùn)RNA和microRNA，”Nóbrega說。

“結(jié)果表明，分泌器官釋放的乳狀液含有阻止雌性進(jìn)入新的生殖周期的化合物，而父母的護(hù)理正在進(jìn)行中。此外，這種液體含有生長因子，可以解釋魚苗的快速生長。”