应用BSA、MBD-Seq和CRISPR/Cas9技术研究瓯江彩鲤黑斑体色的遗传基础

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黑色体色作为脊椎动物中广泛存在的表型性状,其形成的分子遗传机制一直是动物体色研究中的重点之一。瓯江彩鲤(Cyprinus carpio var.color)具有5种基本的体色类型,其中“粉花”和“大花”体色类型群体中具有独特的黑斑性状。本文通过黑斑性状遗传统计和基于重测序技术的性状遗传定位方法(如BSA),探究瓯江彩鲤黑斑性状的遗传基础;通过甲基化Cp G结合蛋白2富集测序(MBD-seq)方法,初步探讨了瓯江彩鲤黑斑体色的表观遗传基础;并通过基因编辑技术(CRISPR/Cas9)研究了黑色素通路中关键基因—多巴色素异构酶(Dopachrome tautomerase,Dct)基因对瓯江彩鲤黑斑性状的影响。主要的研究成果如下:1.瓯江彩鲤黑斑性状的基因组BAS遗传定位分析本章通过“粉花”与“粉玉”体色类型瓯江彩鲤杂交分离群体的遗传统计以及“粉花”体色类型的黑斑大小定量分析,探究黑斑性状的基因组遗传基础。并通过基于重测序技术的BSA遗传定位和选择性消除分析方法对黑斑性状的分子基础进行遗传定位。结果表明,有黑斑的“粉花”相对于无黑斑的“粉玉”为显性,F2分离群体中“粉花”与“粉玉”体色类型瓯江彩鲤的分离比约为4:1;“粉花”类型体色瓯江彩鲤的黑斑面积比例介于2%—35%之间,并在9%—10%和18%—19%两个区间出现个体较多和较少两个明显的峰值,峰值区间瓯江彩鲤的数量为31:15(2:1),由此推断,瓯江彩鲤黑斑体色可能有一个主效基因决定,并对瓯江彩鲤黑斑面积大小具有加性效应。基于重测序技术的黑斑性状BSA遗传定位,在第11、33、10号染色体等区域注释得到191个候选基因。同时,通过“粉花”和“粉玉”体色类型的群体选择性消除区域分析发现,在候选区域注释得到205个基因,其中25个基因在BSA定位和选择性消除分析中被共同发现,特别是候选基因Cntn4在BSA定位结果中具有最为明显的选择信号,暗示该基因在瓯江彩鲤黑斑性状形成中可能存在重要作用。2.瓯江彩鲤黑斑性状的基因组甲基化分析本章以来自同一家系的具黑斑的“大花”和“粉花”体色类型瓯江彩鲤为研究对象,无黑斑的“全红”和“粉玉”体色类型瓯江彩鲤为参照对象,通过甲基化Cp G结合蛋白2富集测序(MBD-seq)的方法,探讨瓯江彩鲤黑斑体色的DNA甲基化基础。结果表明,瓯江彩鲤基因组上广泛存在DNA甲基化现象,其中有黑斑的“大花”、“粉花”体色类型瓯江彩鲤的DNA甲基化水平高于无黑斑的“全红”、“粉玉”体色类型瓯江彩鲤。“粉花”与“粉玉”、“大花”与“全红”体色类瓯江彩鲤间分别存在316、132个基因组差异甲基化区域(DMRs);对位于基因启动子或外显子区域的DMRs的GO富集结果显示,具黑斑的“大花”、“粉花”相对“全红”、“粉玉”体色的DNA甲基化修饰主要体现在神经细胞分化、血管直径调节、粘液分泌调节、肌肉细胞分化与发育等生物学过程,DNA甲基化修饰与瓯江彩鲤黑斑性状及生长性状代谢具有较为密切的关系。3.多巴色素异构酶基因对瓯江彩鲤黑斑体色的影响多巴色素异构酶(Dopachrome tautomerase,Dct)是酪氨酸酶家族的重要成员之一,在黑色素合成过程中具有重要作用。为了解Dct基因对瓯江彩鲤的黑斑体色的影响,本章以瓯江彩鲤的“粉花”体色类型瓯江彩鲤为研究对象,在对该基因进行克隆和表达分析的基础上,应用CRISPR/Cas9基因编辑技术研究了该基因对瓯江彩鲤黑斑体色的影响。结果发现,瓯江彩鲤存在2个Dct基因(Dct1、Dct2),它们的CDS长度均为1548bp,共编码515个氨基酸,均包含8个外显子;Dct1与Dct2的核苷酸序列相似度为95.55%,氨基酸序列相似度为94.95%。荧光定量PCR结果显示,Dct1基因在“粉花”体色类型瓯江彩鲤的黑斑皮肤中的表达量显著高于白色皮肤,而Dct2基因在白色皮肤中的表达量却显著高于黑斑皮肤(P<0.05)。CRISPR/Cas9基因敲除结果显示,Dct1和Dct2高度突变的瓯江彩鲤皮肤中的黑色素细胞呈点状,树突结构退化,表现出黑斑面积缩小、黑色斑块不明显现象。本研究表明,Dct基因突变对瓯江彩鲤黑斑体色存在重要影响,Dct1比Dct2在鲤的黑斑体色形成中发挥着更大的作用。
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