研究團隊透過整合基因組和轉錄組資料，預測出21個性別相關的基因，初步揭示日本沼蝦性別分化和發育機制的奧秘。

本研究成果將促進優質雄蝦親本的培育，有助於日本沼蝦養殖業的快速發展和推廣，併為深入研究節肢動物的發育和進化提供了寶貴的遺傳資源。

這是繼2018年合作獲批農業部認定新品種證書“太湖2號”之後，聯合團隊在青蝦領域的又一重大突破性進展。

圖1日本沼蝦染色體水平基因組論文在GigaScience發表（2021, 10(1):giaa160）

日本沼蝦（Macrobrachium nipponense），俗稱青蝦，廣泛分佈於中國淡水、低鹽度河口區域[2, 3]，是我國重要的經濟蝦類。近年來，其產量逐漸增加（2016年就超過27萬噸) [4]，年產值約28億美元。

由於雄蝦比雌蝦長得更快，個頭更大，從而具有更高的商業價值，培養全雄性種群是實踐中水育種繁育的重要目標，因此，揭示日本沼蝦的性別分化和生殖發育機制對實現遺傳改良具有重要的支撐意義。

圖2 日本沼蝦測序樣本

為了獲得日本沼蝦的基因組資源，研究組在無錫太湖採集野生樣品並進行Illumina、PacBio和Hi-C測序。

二代測序採用了Illumina HiSeq X-Ten 測序平臺共得到157.3 Gb的原始資料；透過k-mer分析，估計日本沼蝦的基因組大小約為4.6 Gb。經過過濾，有293.3Gb的二代資料用於全基因組組裝。

三代測序採用PacBio Sequel測序平臺，共得到405.7 Gb的原始資料，採用Shasta long read assembler軟體[5]進行基因組的初步組裝。

Hi-C測序採用BGI-seq 500測序平臺，透過Hic-Pro軟體[6]進行最後的組裝，得到日本沼蝦染色體水平的基因組結果。

同時，論文作者還採集了生殖期和非生殖期的日本沼蝦雄性個體樣本，進行轉錄組測序和分析。

此研究組裝得到共4.5 Gb的高質量基因組，contig N50長度為231.2 kb，基因組的完整度為92.6%。

最終用876.4 Gb的Hi-C測序資料組裝至染色體水平，共構建了49條染色體，有94.7%的基因組資料被聚集到染色體上（圖3A），scaffold N50長度達86.8 Mb。全基因組共預測到44,086個蛋白編碼基因，其中39,317個基因被功能註釋（圖3B）。

圖3 日本沼蝦基因組的Hi-C相互作用熱圖和Circos圈圖

在進化分析中，與6種其它代表性物種進行了基因家族聚類，有444個單複製基因家族被用於系統發育樹構建（圖4A）。

基因組進化分析結果顯示，日本沼蝦與凡納濱對蝦（L. vannamei）和美洲龍紋螯蝦（P. virginalis）的共同祖先在大約3.27億年前分離。

透過4dTv分析發現，日本沼蝦在大約1億年前經歷過一次全基因組複製事件（圖4B）。

圖4系統發育樹和4dTv結果

在前期研究中[7-9]，課題組鑑定出12個影響日本沼蝦雄性分化和發育的重要基因，包括胰島素樣雄激素（iag）和性致死因子（sxl）等。比對染色體圖譜，進一步發現這些基因廣泛分佈在日本沼蝦的11條染色體上（圖5）。

iag在甲殼類動物雄性性別決定和發育中發揮著著重要作用，有趣的是，在日本沼蝦基因組中研究組發現存在4個同源的iag基因，其中3個集中在25號染色體上。

這個區域一共預測到363個基因，可能是日本沼蝦性別分化和發育的強候選基因。

圖5 日本沼蝦中與性別相關候選基因的基因組分佈

對於生殖季節和非生殖季節的精巢和促雄腺進行轉錄組分析，結果在精巢中發現309個差異表達基因，包括183個上調基因和126個下調基因。

在促雄腺中共檢測到238個差異表達基因，包括146個上調基因和92個下調基因。KEGG分析表明，這些差異表達基因與“訊號轉導”、“內分泌系統”、“神經退行性疾病”和“脂質代謝”有關。研究人員表示，這些鑑定出的性別相關基因，可以為全雄育種提供良好的基因資源。

總結

論文確定日本沼蝦在進化上的分化時間（∼327.5 Mya），並闡明日本沼蝦經歷過一次全基因組複製事件（∼109.8 Mya）。

在性別決定與發育機制上，研究者篩選出21個性別相關的候選基因，有關研究成果將會促進優質雄蝦親本的培育，有助於日本沼蝦養殖業的快速發展和推廣。

參考文獻

[1] Jin S. et al. GigaScience, 2021, 10(1):giaa160.

[2] Ma K. et al. Gene, 2011, 487(2):160-165.

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