【跳跳鱼图片】华大海洋发布细身飞鱼基因组图谱

最近，华大海洋在国际学术杂志《Frontiers in Genetics》上发表了世界上第一张高质量的细长飞鱼基因组地图。

通过比较细身飞鱼与完全水生鱼类和两栖鱼类在视觉、嗅觉、防晒相关基因等方面的差异，该论文详细阐述飞鱼如何适应空气和水面交替的环境，有关成果为深入研究两栖鱼类适应陆地环境的分子机制提供宝贵的遗传资源。

图1 细身飞鱼基因组论文在Frontiers in Genetics上发表（12:695700）

中国科学院大学2018级博士生许鹏威和赵辰曦、深圳市华大海洋研究院常务副院长游欣欣为该论文的共同第一作者，海洋研究院院长石琼教授和副院长卞超副研究员为该论文的共同通讯作者。

飞鱼是什么鱼

飞鱼主要生活在热带和亚热带表层水域，以浮游生物为食。它们是一类特殊的水生脊椎动物，可以通过扩大的胸鳍和不对称的尾鳍在水面上方滑行。

飞鱼的正常滑行距离可达50米，当遇到上升气流时可提高至400米，最大高度为4米，时速可达70 km/h。本文研究的细身飞鱼（Hirundichthys speculiger 图2A）捕获自我国西沙伊尔提斯滩水域。

飞鱼生活环境介于完全水生鱼类和两栖鱼类之间。本研究构建了高质量的细身飞鱼参考基因组（约1.04Gb），通过比较细身飞鱼与完全水生鱼类（斑马鱼、罗非鱼、斑马拟丽鱼、青鱂）及两栖鱼类（弹涂鱼、攀鲈鱼、乌鳢、红树林鱂鱼），鉴定到细身飞鱼有9个视紫红质基因、50个嗅觉受体相关基因、3个芳香烷胺N-乙酰转移酶（aanat）基因和2个紫外辐射吸收物质gadusol合成相关基因（eevs）。

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细身飞鱼可以离开水面滑行一段时间，同样受到与两栖鱼类类似的胁迫，即紫外线辐射、空气和水的折射率不一致等。但是，细身飞鱼在视觉相关基因和嗅觉受体基因的拷贝数与近缘物种青鱂一致，与两栖弹涂鱼[2]却存在较大差异。

高质量的细身飞鱼基因组为我们研究鱼类对水陆环境适应的分子机制提供了新的见解和有价值的遗传资源。

细身飞鱼基因组组装结果

通过Genomescope估算细身飞鱼的基因组大小为1.06 Gb，杂合度为1.35%（图2B）。细身飞鱼最终基因组组装大小为1.04 Gb，包括3,052个scaffold；contig N50为0.99 Mb，scaffold N50为1.15 Mb。

组装完整度高达98.11%；重复序列占基因组的42.02%，其中DNA类型的转座子占最大比例（达24.38 %）。最终预测出23,611个蛋白编码基因（与其它二倍体硬骨鱼基因组的基因总量相似），其中23,492个基因能被功能注释。

图2 细身飞鱼的外部形态和基因组特征

基因家族与物种进化

本研究用19个代表性脊椎动物基因组数据进行进化分析。在构建的系统发育树中（图3A），细身飞鱼和青鱂的亲缘关系最近，大约在8,520万年两者分离。共鉴定到22,669个基因家族和4,632个共享单拷贝基因家族，细身飞鱼基因组独有92个基因家族（图3B）。

在细身飞鱼的基因组中一共鉴定到1,236个扩张的基因家族和1,539个收缩的基因家族（图3A）。

图3 细身飞鱼系统进化树、基因家族的扩张与收缩

视觉相关基因

视紫红质短波长蛋白SWS1主要用于感受紫外光，但紫外光对视网膜会造成损伤。在细身飞鱼基因组中存在SWS1（图4），而在两栖鱼类（弹涂鱼、乌鳢、攀鲈）中SWS1均丢失。
细身飞鱼SWS1在关键位点86位出现了F>V的替换（图4C），说明细身飞鱼存在紫外视觉，且最大吸收波长向蓝光偏移+1。

细身飞鱼视紫红质长波长蛋白LWS1及LWS2的5个关键氨基酸残基（S180A、 H197Y、 Y277F、T285A和A308S）与两栖鱼类弹涂鱼不同[2]，但与攀鲈、日本青鱂、乌鳢、红树林鱂鱼、罗非鱼一致，能够感受最大吸收光谱为560 nm。

芳香烷胺N-乙酰转移酶aanat1a在视网膜中可以使多巴胺乙酰化。我们的前期研究发现，大鳍弹涂鱼可能通过丢失aanat1a来增加视网膜中多巴胺的水平，进而增强空气视力，实现较强的陆生习性[2]。

细身飞鱼基因组中存在3个aanat基因，并未丢失aanat1a。因此细身飞鱼在离开水面滑翔时，可能采用了与两栖鱼类不同的方式来实现空气视觉的适应性改变。

图4 视紫红质短波长蛋白SWS1在基因组上排列及其氨基酸序列

防晒物质gadusol合成相关基因

紫外线通过光氧化对DNA造成损伤，从而导致一系列的疾病（如晒伤和皮肤癌）。紫外吸收物质（如gadusol）在海洋微生物、无脊椎动物和藻类中广泛存在。斑马鱼可通过EEVS和MT-OX将景天庚酮糖-7-磷酸转换为gadusol[3]；在其基因组中已报道存在一个eevs和mt-ox相关的基因簇（foxp1b-mdfic2-mt-ox-eevs-mitfa-frmd4Ba）。

本研究在细身飞鱼中发现2个拷贝的EEVS合成基因（eevs）和1个拷贝的MT-OX合成基因（mt-ox）。细身飞鱼与青鱂呈现相同的基因排列顺序（图5），这说明它们经历相同的基因组重排事件。

图5 Gadusol合成相关的eevs和mt-ox基因簇在染色体上分布

嗅觉受体基因

嗅觉受体基因有助于鱼类在不同环境中寻找目标食物。细身飞鱼可以离开水面生活一段时间，但在其基因组中预测出50个嗅觉受体（OR）基因（Delta、Epsilon、Zeta、Eta和Beta）与青鱂、红树林鱂鱼的基因数目相近，但比两栖鱼类攀鲈、大鳍弹涂鱼、乌鳢和完全水生鱼类罗非鱼、斑马鱼的少。这可能与细身飞鱼的摄食习惯相关，从而与两栖鱼类[2]存在着较大差异。

图6 代表性鱼类嗅觉受体的进化树

总之，本研究首次完成了细身鱼全基因组的测序、组装和注释，并从物种进化、视觉相关基因、防晒相关基因、嗅觉受体基因等多方面综合阐明细身飞鱼对不同介质环境适应的分子机制，为深入研究鱼类的水陆适应性提供了宝贵的遗传资源。

参考文献

[1] Xu P., et al. Frontiers in Genetics, 2021, 12:695700.

[2] You X., et al. Nature Communications, 2014, 5:5594.

[3] Osborn A.R., et al. eLife, 2015, 4:e05919.