牡蛎温度适应性状关键基因调控机制解析
全球变暖背景下，海洋生物的生存和繁殖等受到严重威胁。栖息于环境波动剧烈的潮间带区域的牡蛎面临昼夜和季节性的剧烈环境波动，其广泛的分布为研究温度适应性与进化提供良好模型。此外，牡蛎不仅是世界性的经济养殖贝类和我国贝类养殖的传统支柱产业，还为海洋生态系统提供多种多样的生态服务功能。近年来，由于海水温度升高以及骤变频率增强等原因，牡蛎的夏季大规模死亡现象频发为全球牡蛎产业带来巨大经济损失。气候变化和人为活动的破坏还加剧了世界野生牡蛎资源及牡蛎礁的退化。因此深入探究牡蛎温度适应性调控机制不仅具有极高的科学价值，还具有重要的生态和产业意义。各种适应性以及农艺性状的形成是自然选择下生物达到环境最佳适合度的...
| Main Author: | |
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| Other Authors: | |
| Format: | Other/Unknown Material |
| Language: | Chinese |
| Published: |
2024
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| Subjects: | |
| Online Access: | http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/185174 |
| Summary: | 全球变暖背景下，海洋生物的生存和繁殖等受到严重威胁。栖息于环境波动剧烈的潮间带区域的牡蛎面临昼夜和季节性的剧烈环境波动，其广泛的分布为研究温度适应性与进化提供良好模型。此外，牡蛎不仅是世界性的经济养殖贝类和我国贝类养殖的传统支柱产业，还为海洋生态系统提供多种多样的生态服务功能。近年来，由于海水温度升高以及骤变频率增强等原因，牡蛎的夏季大规模死亡现象频发为全球牡蛎产业带来巨大经济损失。气候变化和人为活动的破坏还加剧了世界野生牡蛎资源及牡蛎礁的退化。因此深入探究牡蛎温度适应性调控机制不仅具有极高的科学价值，还具有重要的生态和产业意义。各种适应性以及农艺性状的形成是自然选择下生物达到环境最佳适合度的结果，因此研究适应性性状关键基因及其调控是深入理解适应性进化机制的核心。本研究选取异域分布的差异温度适应性的近缘种—长牡蛎（Crassostrea gigas）和福建牡蛎（Crassostrea angulata）为研究对象，通过同质化养殖和对调养殖，表型测量和多组学联合分析从基因组差异-基因表达调控-蛋白-蛋白翻译后修饰等多层级水平鉴定介导二者温度适应性性状—脂肪酸和耐高温分化的关键基因，并通过分子功能实验验证相关基因功能，挖掘关键调控元件及解析上游信号转导通路。相关研究结果有助于理解海洋生物温度适应性分化和进化背后的遗传和分子机制，为全球变暖背景下预测海洋生物的适应性潜力提供帮助，并为牡蛎品质和抗性性状协同改良提供理论基础和育种元件。 1、脂肪酸性状分化关键基因及其调控机制 利用在山东青岛（35° 44′ N）进行同质化养殖的长牡蛎和福建牡蛎进行表型测定和转录组代谢组联合分析，发现长牡蛎和福建牡蛎之间在脂肪酸性状上存在显著分化，特别是不饱和脂肪酸—油酸（C18：1）含量在长牡蛎中显著高于福建牡蛎。此外，福建牡蛎表现出更强的生长性能和有氧代谢能力，而长牡蛎表现出更高的糖原含量和抗氧化能力。转录组与代谢组联合分析结果显示长牡蛎抑制糖酵解和脂肪酸氧化通路，上调脂肪酸合成和抗氧化相关基因和代谢物，进而将能量更多地分配给储存和防御。而福建牡蛎上调蛋白质合成基因和代谢物，并具有更高的生长相关生物标志物含量，进而将更多能量分配给生长。研究结果揭示了介导两种牡蛎生长-防御权衡（Trade-Offs）的分子机制，为适应性性状的协调性平衡及其背后的生化和分子基础提供新见解。 基于上述实验结果以及团队前期的两物种的群体基因组比较研究，本研究锁定催化合成单不饱和脂肪酸——油酸的关键限速酶硬脂酰辅酶A去饱和酶（Stearoyl-CoA Desaturase，Scd）作为介导长牡蛎和福建牡蛎脂肪酸性状分化的关键基因。基因功能实验证实牡蛎SCD基因可以催化合成单不饱和脂肪酸棕榈酸（C16:1）和油酸（C18:1），并增强细胞膜流动性。启动子区遗传变异位点筛查和功能验证显示牡蛎Scd启动子区的变异通过创造（长牡蛎）或破坏（福建牡蛎）正向转录因子Y Box Factor的结合基序来增强长牡蛎Scd基因的基础表达和油酸基础含量。而受低温诱导的正向转录因子Srebp通过其差异低温响应模式（福建牡蛎上调，长牡蛎下调）参与塑造福建牡蛎更高的Scd基因塑性表达（上调幅度），Scd基础表达和塑性表达在两种牡蛎间存在权衡（Trade-Offs）。相关研究结果表明脂肪酸性状，特别是不饱和脂肪酸，既是一种重要的能量物质，也是重要的细胞结构物质，其参与介导生物的温度适应。长期的差异环境温度塑造了长牡蛎和福建牡蛎分化的不饱和脂肪酸及其代谢基因可塑性模式，即性状均值和可塑性之间的权衡，顺式（Cis-）和反式（Tans-）变异共同介导牡蛎Scd基因可塑性的分化和进化模式。本研究作为一个研究案例揭示了环境响应性性状普遍存在的差异表型可塑性分化模式背后的遗传和分子机制，进一步加深对表型可塑性进化机制的理解，并为适应性性状的形成和海洋生物面对未来气候变化适应潜力的预测提供新见解。随后，利用长牡蛎和福建牡蛎杂交F2群体进行油酸含量和遗传变异的关联分析，结果进一步证实上述筛选到的遗传变异与表型显著相关，且优势基因型组合（长牡蛎）个体油酸含量显著高于劣势基因型组合（福建牡蛎）个体，相关等位基因变异组合可用于基于分子模块辅助选育的牡蛎脂肪酸性状遗传改良。 2、耐高温性状分化关键基因及其调控机制 热胁迫状态下的长牡蛎和福建牡蛎的表型评估发现福建牡蛎具有更高的有氧代谢能力和抗氧化能力，以及更低的组织凋亡率，研究结果进一步支持福建牡蛎具有更强的耐热性。后续利用染色质动力学，基因表达，蛋白组和磷酸化蛋白组等多组学手段对热胁迫下的长牡蛎和福建牡蛎进行比较研究以鉴定二者差异热耐受的关键基因和相关信号通路。RNA-Seq和ATAC-Seq数据显示凋亡抑制蛋白（IAP）家族及其相关的细胞凋亡途径是介导二者耐热性分化的主要信号通路。长牡蛎可能主要通过转录因子（如Forkhead Box ... |
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