院生物技术研究中心水产生物遗传大数据研究与应用创新团队，联合我院黑龙江水产研究所、淡水渔业研究中心、华北理工大学等单位，于2021年9月30日在国际遗传学顶级期刊《自然•遗传学》（Nature Genetics）在线发表“Parallel subgenome structure and divergent expression evolution of allo-tetraploid common carp and goldfish”研究论文。该研究以异源四倍体鲤和鲫为研究对象，首次在多倍体脊椎动物中观察到亚基因组趋同进化现象，系统发现十种表达趋异策略，为解释多倍体亚基因组适应性进化机制提供新见解；破解松浦镜鲤、黄河鲤和福瑞鲤的基因组结构变异及其规律，为鲤重要性状改良提供了新的理论依据和资源。

相比植物，脊椎动物的多倍体事件比较稀少，仅见于鲤科、鲟目、鲑科、爪蟾中。鲤、鲫鱼是异源四倍体，推测来源于两种不同的祖先种。两套亚基因组如何共存并在不同时空事件中协调发挥功能，一直尚未明了。传统观点认为多倍化后基因组容易发生快速丢失、假基因化、亚基因组融合等事件，使得基因组恢复到二倍化水平，并造成亚基因组间存在结构和序列差异（称为“趋异进化”）。但是否存在亚基因组的趋同进化现象，一直未被发现。另外，鲤是我国大宗淡水养殖鱼之一，年产量超过289万吨，有超过30种的地理品种和选育种。经全国水产良种委员会审定的鲤新品种超过20种。然而，人们对鲤现代育成品种的基因组信息仍缺乏深入了解。基于基因组组装和品种资源重测序揭示的结构变异对于鲤杂交起源后适应机制以及鲤分子改良非常重要。

1、首次在多倍体脊椎动物中发现趋同进化现象和机制

已有研究推测异源四倍体鲤、鲫的A和B亚基因组来源于不同的祖先种，并认为虎皮鱼在内的鲃亚科是鲤、鲫的B亚基因组祖先种。利用虎皮鱼基因组，将鲤、鲫各自染色体分为A和B两套亚基因组。本研究发现，相比以往所比照的斑马鱼和草鱼，似刺鳊鮈是更接近A和B两套亚基因组的共同近缘物种。利用虎皮鱼和似刺鳊鮈基因组为参照，团队发现A和B两套亚基因组间在两个祖先种杂交后趋向更加相似(“趋同”)而不是趋向差异（“趋异”）。这是首次在多倍体脊椎动物发现亚基因组趋同进化，包括多种趋同进化机制：(1)亚基因组基因数量和重复序列组成接近一致；（2）相比B亚基因组和虎皮鱼间的同源基因mRNA/蛋白相似性，A和B亚基因组的相似性非但下降反而显著提升；（3）B亚基因组的转座子分化度和组成，不同于虎皮鱼基因组，反而接近于A亚基因组；（4）两套亚基因组发生部分同源交换；（5）相比虎皮鱼基因组，B亚基因组与A亚基因组有更高的共线性关系；(6)同源基因丢失速率极低，大部分基因仍然保存2份拷贝；且极少发生2份拷贝同时丢失，要比虎皮鱼和似刺鳊鮈，鲤、鲫更容易保存祖先种遗传信息；（7）亚基因组受到相等的正向选择压力。

2、揭示亚基因组十种表达趋异策略

本研究还发现亚基因组间十种表达趋异策略，以更加灵活地协调时空表达调控和促进两套染色体稳定共存：（1）可变剪切的灵活性；（2）亚基因组间的反式剪接事件广泛存在；（3）存在表达水平下降和剂量补偿效应；（4）共表达模式：大部分同源基因是同时表达在多个组织中，使得这些组织中剂量补偿效应得以发生，以维持四倍体鱼类和二倍体鱼类相近的表达水平；（5）亚基因组同源基因间的表达相关性显著上升；（6）存在表达主效基因；（7）强烈的负选择压抑制同源基因功能分化；（8）动态的功能分化事件；（9）差异表达平衡：在大多数同源基因对中，仅一个同源基因发生表达扰动，另一个基因表达未发生变化，而不是两个同源基因同时发生表达扰动。（10）差异表达基因各行其责。异源四倍体遗传信息加倍后，通过多种表达趋异策略，更加灵活地发挥彼此功能，使得它们更耐受外界变化。

3、探明福瑞鲤性状改良的结构变异规律

鲤在全球广泛存在而有多种地理品种；又由于人工选育产生多种新品种。自然选择和人工选择使得鲤的表型多样性。而这些表型多样型的遗传结构变异，仍不清晰。福瑞鲤2号是以建鲤、野生黄河鲤和黑龙江鲤为原始亲本，经综合选育方法而培育出来的国审水产新品种，具有生长快和成活率高等优点，是稻渔综合种养的优势品种。为探明基因组结构变异对福瑞鲤2号性状的遗传效应，对松浦镜鲤、黄河鲤和福瑞鲤共93份种质资源重测序获得57,049,657个变异位点（占全基因组3.4%）。系统发育树显示选育福瑞鲤与亲本黄河鲤在遗传亲缘关系上，已独立分开，显示较为强烈的选择压。选育的福瑞鲤连锁不平衡衰减速率低于亲本黄河鲤，提示在福瑞鲤选育中存在强烈的瓶颈效应或者存在奠基者效应。在福瑞鲤中鉴定到一批受到强烈正选择的基因，包括热休克蛋白结合、蛋白翻译和新陈代谢调控基因。该研究加深对福瑞鲤较黄河鲤更强生长、适应和存活能力的理解，也为后续分子机制研究也提供了靶向目标。

李炯棠研究员为该论文通讯作者，李炯棠研究员、王琦助理研究员、上海海洋大学硕士研究生黄杨美迪为该论文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划（2018YFD0900102）、国家自然科学基金（31672644, 31402353）、国家淡水水产种质资源平台（FGRC:18537）、中国水产科学研究院创新团队（2020TD24）和协同创新项目（2020XT0103）资助。