海洋科学  2024, Vol. 48 Issue (9): 13-23   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20240407002

文章信息

梁斌, 杨美洁, 马兴浩, 石璞, 周骢, 曲锦鹏, 赖长苹, 张涛. 2024.
LIANG Bin, YANG Meijie, MA Xinghao, SHI Pu, ZHOU Cong, QU Jinpeng, LAI Changping, ZHANG Tao. 2024.
硬壳蛤(Mercenaria mercenaria)生长性状转录组差异分析
Transcriptome analysis of growth trait differences in Mercenaria mercenaria
海洋科学, 48(9): 13-23
Marine Sciences, 48(9): 13-23.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20240407002

文章历史

收稿日期:2024-04-07
修回日期:2024-04-20
硬壳蛤(Mercenaria mercenaria)生长性状转录组差异分析
梁斌1,2,3,4,5,6, 杨美洁1,2,3,4,5,6, 马兴浩8, 石璞1,2,3,4,5,6, 周骢1,2,3,4,5,6, 曲锦鹏4, 赖长苹7, 张涛1,2,4,6     
1. 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室, 山东 青岛 266071;
2. 青岛海洋科技中心海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266237;
3. 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071;
4. 中国科学院海洋牧场工程实验室, 山东 青岛 266071;
5. 中国科学院大学 北京 100049;
6. 山东省实验海洋生物学重点实验室, 山东 青岛 266071;
7. 连云港蓝碳海洋科技有限公司, 江苏 连云港 222066;
8. 寿光市海洋渔业发展中心, 山东 寿光 262700
摘要:经济物种的生长性状直接影响其经济产值。本研究以生长速度具有显著差异的同龄硬壳蛤(Mercenaria mercenaria)成贝为研究对象, 利用转录组测序探究生长快慢个体组间基因表达差异, 并探寻可能影响硬壳蛤生长速度的关键基因。结果显示, 快速生长与缓慢生长的硬壳蛤群体间共有1 590个差异基因, 通过对差异基因进行功能富集分析发现, 这些差异基因主要在PPAR信号转导、免疫、消化等相关通路上显著富集。编码蛋白磷酸酶调节亚基和过氧化物酶体酰基辅酶A的基因可能在PPAR信号通路中影响硬壳蛤的糖代谢、物质传递等生命活动过程, 进而导致不同硬壳蛤生长速度的差异。这些基因表达量高的个体可能具有较强的细胞内的代谢和物质传递能力, 因此生长速度较快; 此外, 脂类消化代谢相关基因3-酮酰基-CoA硫解酶在生长快速的硬壳蛤中表达显著下调, 这表明生长快速的硬壳蛤可能脂肪酸降解速度较慢, 导致更多脂肪酸在生物体内积累; 另一方面, 多糖消化代谢相关通路中葡萄糖差向异构酶在生长快速的硬壳蛤中表达显著上调, 过氧化物蛋白酶、组织蛋白酶和蛋白磷酸酶等免疫相关基因在生长快速的硬壳蛤中表达显著上调。这表明生长快速的硬壳蛤群体可能具有更强的消化能力和免疫能力, 从而保证了其更快的生长速度。本研究结果为硬壳蛤的生长性状遗传机制提供了新的见解, 为下一步的育种工作提供了理论依据。
关键词硬壳蛤    生长性状    转录组    差异基因    
Transcriptome analysis of growth trait differences in Mercenaria mercenaria
LIANG Bin1,2,3,4,5,6, YANG Meijie1,2,3,4,5,6, MA Xinghao8, SHI Pu1,2,3,4,5,6, ZHOU Cong1,2,3,4,5,6, QU Jinpeng4, LAI Changping7, ZHANG Tao1,2,4,6     
1. CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao Marine Science and Technology Center, Qingdao 266237, China;
3. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
4. CAS Engineering Laboratory for Marine Ranching, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
6. Shandong Province Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Qingdao 266071, China;
7. Lianyungang Blue Carbon Marine Technology Co., Ltd., Lianyungang 222066, China;
8. Shouguang Marine Fisheries Development Center, Shouguang 262700, China
Abstract: The growth traits of economically important species directly affect their economic value. In this study, we focused on cohorts of the hard clam (Mercenaria mercenaria) with significant differences in growth rates. Transcriptome sequencing was performed to investigate the intergroup gene expression differences related to fast and slow growth and to explore key genes that may influence the growth rate of hard clams. The results revealed 1 590 differentially expressed genes between fast- and slow-growth groups of hard clams. Functional enrichment analysis of these differentially expressed genes indicated significant enrichment in pathways related to PPAR signal transduction, immunity, and digestion. Genes encoding protein phosphatase regulatory subunits and peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha may affect glucose metabolism and substance transfer processes in the PPAR signaling pathway, thereby contributing to differences in growth rates among hard clams. Individuals with higher expression levels of these genes may possess stronger metabolic and substance transfer capabilities, which result in faster growth rates. In addition, genes related to lipid digestion and metabolism, such as 3-ketoacyl-CoA thiolase, were significantly downregulated in fast-growing hard clams, which suggests a slower rate of fatty acid degradation and a higher accumulation of fatty acids in these clams. Conversely, glucose-6-phosphate isomerase in pathways related to polysaccharide digestion and metabolism, and immune-related genes, such as peroxiredoxins, tissue proteases, and protein phosphatases, were significantly upregulated in fast-growing hard clams. This result indicates that fast-growing hard clam cohorts may possess stronger digestive and immune capabilities, thereby ensuring their faster growth rates. The findings of this study provide new insights into the genetic mechanis.
Key words: Mercenaria mercenaria    growth traits    transcriptome    differential gene    

生长是与任何生物体的适应性和产量相关的重要性状。经济物种的生长速度直接影响其经济产值。提高生长率不仅可以降低投入成本, 还可以通过缩短养殖时间来降低经济损失的风险。因此, 诸多经济物种均在培育快速生长的新品种。

硬壳蛤Mercenaria mercenaria, 隶属于软体动物门(Mollusca), 双壳纲(Bivalvia)、帘蛤目(Venerida)、帘蛤科(Veneridae)、硬壳蛤属(Mercenaria), 又称小圆蛤、北方帘蛤或美洲帘蛤, 因个体大且贝壳坚硬而闻名[1]。硬壳蛤生长速度快, 养殖1~2年便可达商品规格。硬壳蛤对环境耐受能力强, 是一种广温广盐的池塘养殖优良品种。硬壳蛤自然分布于美国东海岸, 是美国大西洋沿岸浅海和滩涂主要经济贝类, 1997年由张福绥院士引入我国。经过20余年的推广, 成为我国海水池塘生态混养的重要经济贝类, 已在福建、江苏以及山东等沿海省份形成产业规模, 池塘养殖面积数十万亩, 年产值数十亿元[2-3]

选择育种是一种常用的生物学育种方法, 其具体为挑选一部分群体作为父本和母本进行杂交, 挑选符合目标性状的子代, 有计划地进行选择和淘汰个体, 最终选育出优良性状的可以稳定遗传的目标群体[4]。选择育种, 可以满足人们对于生物体不同性状的需求, 选育并不产生新的性状, 只是对原有性状的重新组合, 从而达到人们预期的效果[4]。最早的鱼类选育试验在1919年就开始了[5]。根据所选性状的来源, 常用的选择育种的方法主要可分为家系选育和群体选育。群体选育也称为个体选育, 是一种根据所需选育性状表现型进行选育的方法; 家系选育则是基于物种家系来选择具有目标性状或优势性状的个体作为亲本, 不断繁育后代并逐代选择符合预期表型的个体的一种育种方法[6]。在选择育种过程中, 通常具有较强遗传力的种群会表现出明显的选择反应[7]

贝类生长性状的选育研究较为广泛。例如, 在欧洲牡蛎Ostrea edulis的选育中, 体重和壳高之间的遗传相关性可达0.9以上。选用体重为目标性状进行选育的个体, 其壳高的生长速度也显著提高[8]。在1996年研究人员对澳大利亚当地沿海地区长牡蛎Crassostrea gigas进行收集, 选择个体质量大长度较长的个体为母本, 以长度和重量为目标性状, 经过几年的努力, 连续5代进行群体选育, 取得了对长度及质量品质上显著改良的长牡蛎[9]。WANG等[10]通过构建3个长牡蛎生长群体, 并以壳高及重量为目标性状, 连续进行了三代选育, 选育群体的表现显著高于对照组。

转录组是一种强大的工具, 不仅可以提供不同样品之间生物信息表达基因的不同功能注释, 还可以提供应用于水产养殖、保护、渔业管理、遗传学和育种的分子标记, 以及与靶标性状的相关性[11-13]。本研究中我们通过收集两组同龄的差异较大的硬壳蛤(图 1), 利用高通量测序(High-throughput sequencing)、RT-PCR (Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction)和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)通路富集等方法, 进行差异表达基因筛选、验证及功能富集, 查明不同生长性状的硬壳蛤个体间的基因表达差异基于转录组数据, 对硬壳蛤不同生长性状个体间的分析标记进行筛选, 包括简单重复序列比较(SSR)与单核苷酸多态性分析(SNP)等, 为硬壳蛤生长快速性状选育提供研究基础。

图 1 生长快速和生长缓慢硬壳蛤(D vs X) Fig. 1 Rapid and slow growth of Mercenaria mercenaria (D vs. X)
1 材料和方法 1.1 样品收集

本研究所采用的亲本是2021年所育得的硬壳蛤子代, 这些子代养殖于天津恒仟水产有限公司的硬壳蛤养殖池塘中, 是通过对同一批具有良好发育和优良性状的硬壳蛤进行生长性状群体选育而得到的。2023年3月在养殖池塘中随机捞取500 kg硬壳蛤子代2龄贝, 并从中挑选出生长速度差异明显(P<0.05)的硬壳蛤个体各9个(如图 1)。将所用硬壳蛤转移至中国科学院海洋研究所养殖实验室, 在过滤海水(水温, 22 ℃; 盐度, 32)中暂养一星期。将所挑选的生长快速的硬壳蛤群体称为D组(如表 1), 设置为实验组; 生长缓慢的硬壳蛤群体称为X组(如表 2), 设置为对照组。对两组硬壳蛤分别进行整个软体部取样, 用磷酸盐缓冲盐水(PBS)洗涤, 然后立即置于液氮中。为避免个体差异所造成的误差, 每3个个体组织置于同一个样品管中, 生长快速的硬壳蛤与生长缓慢的硬壳蛤各包括3个生物学重复样本, 分别为D1、D2、D3和X1、X2、X3, 将样品储存在−80 ℃的冰箱中, 用于RNA提取。

表 1 生长快速硬壳蛤(D组)取样数据统计表 Tab. 1 Sampling data of fast-growing hard-shelled clams (Group D)
D组 个体 体长/mm 湿质量/g
D1 1 76.22 133.92
2 67.08 93.64
3 63.47 90.44
D2 4 72.00 104.91
5 72.27 129.93
6 66.66 88.93
D3 7 65.46 76.22
8 62.36 66.73
9 62.41 86.01
平均值 67.54b±4.62 96.74b±21.33
注: b表示具有显著性差异

表 2 生长缓慢硬壳蛤(X组)取样数据统计表 Tab. 2 Sampling data of slow-growing hard-shelled clams (Group X)
X组 个体 体长/mm 湿质量/g
X1 1 25.03 6.41
2 25.34 5.80
3 27.41 7.14
X2 4 27.56 7.22
5 29.31 8.34
6 29.41 8.91
X3 7 29.50 9.97
8 29.90 10.29
9 30.02 9.55
平均值 28.16a±1.82 8.18a±1.52
注: a表示具有显著性差异
1.2 RNA提取

将每个1.5 mL EP管中加入已经预冷后的Trizol并将其放置在冰上; 先将每个管中的5个硬壳蛤个体充分研磨, 加入液氮后再进行充分研磨均匀后, 摇匀混合。取适量硬壳蛤组织, 转移入EP管中, 振荡使其充分裂解。在室温中恒温放置5 min; 随后在4 ℃, 13 000 g离心5 min后, 吸取上清液至新的1.5 mL EP管中, 加入200 μL预冷氯仿, 震荡均匀后常温放置5 min; 再在4 ℃, 13 000 g离心15 min后, 吸取上层水相至新的1.5 mL EP管中; 加入200 μL的预冷的异丙醇, 室温放置10 min; 随后在4 ℃ 13 000 g离心10 min后, 弃上清; 然后加入1 mL预冷的75%乙醇, 于4 ℃, 12 000g离心5 min后, 弃上清; 最后室温晾干3~5 min; 加入50 μL灭菌的0.1% DEPC水溶解后即可置于‒80 ℃冷藏备用。

1.3 转录组组装与基因功能注释

参考基因组原始数据存储在NCBI的基因表达综合(GEO)数据库中, 登录号为GSE70548使用软件String Tie将mapped reads进行组装拼接, 与已知转录本进行比较, 获得没有注释信息的转录本, 并对其中潜在的新转录本进行功能注释。

1.4 基因表达水平的量化和差异表达分析

本研究通过FPKM(Fragments Per Kilobases per Millionreads)估计每个样本的基因表达水平, 使用RSEM比对参考基因组, 获得每个样本基因/转录本的Read Counts和注释信息。然后对其进行TPM转换, 进而得到标准化的基因/转录本表达水平。获得基因/转录本的Read Counts数后, 对多样本(≥2)项目进行样本间基因/转录本的表达差异分析, 鉴定出样本间差异表达的基因, 进而研究差异表达基因的功能。

2 结果与分析 2.1 转录组测序质量

共计完成6个样品的转录组分析, 共检测到表达基因共46 300个, 其中已知基因29 015个, 新基因17 285个, 表达转录本共75 320个, 其中已知转录本25 958个, 新转录本49 362个。将质控后的数据即clean data (reads)与参考基因组进行比对, 获得用于后续分析的mapped data (reads)。如表 3所示, 对本次测序的比对结果进行质量评估, 共获得41.48 Gb Clean Data。各样品Clean Data均达到6.61 Gb以上, Q30碱基百分比在93.66%以上, 绝大部分转录本长度大于1 800 bp。如图 2所示, 对转录组基因进行了注释统计, 发现6种注释方法均注释到较多基因。以上结果均表明该批样品转录组测序质量较好, 可以更好地用于后续生长性状的分析。

表 3 转录组测序数据统计表 Tab. 3 Transcriptome sequencing data
样品名称 原始序列数 原始数据总量 过滤后序列数 碱基数 错误率/% Q20/% Q30/% GC含量/%
D1 47 811 018 7 219 463 718 47 444 784 7 107 782 803 0.0247 98.16 94.48 38.47
D2 44 528 628 6 723 822 828 44 216 086 6 611 929 874 0.0247 98.17 94.49 39.42
D3 47 701 296 7 202 895 696 47 310 646 7 055 179 983 0.0245 98.22 94.63 39.98
X1 49 585 834 7 487 460 934 48 866 156 7 261 059 020 0.0253 97.89 93.93 39.33
X2 46 095 314 6 960 392 414 45 614 090 6 790 935 930 0.0245 98.23 94.62 39.61
X3 45 246 416 6 832 208 816 44 716 228 6 653 585 052 0.0256 97.81 93.66 39.15
注: Q20表示质量分数>20%; Q30表示质量分数>30%

图 2 转录组基因注释情况统计图 Fig. 2 Transcriptome gene annotation 注: GO: 注释到GO库的转录本数量; KEGG: 注释到KEGG库的转录本数量; EggNOG: 注释到EggNOG库的转录本数量; NR: 注释到NR库的转录本数量; Swiss-Prot: 注释到Swiss-Prot库的转录本数量; Pfam: 注释到Pfam库的转录本数量
2.2 硬壳蛤转录组生长性状差异基因筛选

获得基因的Read Counts数后, 对生长快速与生长缓慢两组硬壳蛤样本进行样本间基因的表达差异分析, 鉴定出样本间差异表达的基因, 进而研究差异表达基因的功能。对差异表达基因进行统计分析, 根据分析结果绘制基因表达量差异火山图如图 3所示。图中显示, 生长缓慢的硬壳蛤群体相比, 生长快速的硬壳蛤群体中有604个基因显著上调(P<0.05), 986个基因显著下调(P<0.05)。

图 3 生长快速与生长缓慢硬壳蛤(D vs X)差异基因表达量差异火山图 Fig. 3 Volcano map of differences in gene expression levels between two growth trait groups of hard-shelled clams (D vs. X)
2.3 差异基因功能注释分析

根据功能, 可以将KEGG通路分为新陈代谢、遗传信息处理、环境信息处理、细胞过程、生物体系统及人类疾病6个部分。其中信号转导相关通路最为富集, 其次是免疫系统、内分泌系统与消化系统相关通路。

2.4 差异基因富集分析

利用R语言编写脚本对基因集中的基因进行KEGG通路富集分析, 默认当(P<0.05)时, 认为此KEGG通路存在显著富集情况, 以确定相应途径。如图 5所示, 分析发现两组硬壳蛤共计1 590个差异基因, 符合上述显著富集条件的共计40条KEGG通路。这些通路在生物体中发挥着新陈代谢、遗传信息、细胞过程、生物系统等作用。其中, “不饱和脂肪酸的生物合成”“药物代谢”和“PPAR信号转导”通路最为富集。其他富集通路集中在消化或免疫方面较广, 消化相关的通路主要包括“甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢”“脂肪酸降解”和“α-亚麻酸代谢”; 免疫相关通路则主要集中在“过氧化物酶体”“溶酶体”和“吞噬体”。

图 4 生长快速和生长缓慢硬壳蛤(D vs X)差异基因KEGG注释分析图 Fig. 4 KEGG analysis of the differentially expressed genes in the growth traits of two groups of hard shell clams (D vs X)

图 5 生长快速和生长缓慢硬壳蛤(D vs X)KEGG通路富集分析图 Fig. 5 KEGG enrichment analysis of the differences in growth traits between two groups of hard-shelled clams (D vs. X)

图 6所示, 对PPAR信号转导相关基因富集分析表明, 编码调节蛋白磷酸酶亚基(Protein phosphatase subunit)的基因在生长快速群体中显著上调(P<0.01); 编码调节过氧化物酶体酰基辅酶A的基因(Oxidase body acyl CoA oxidase)生长快速群体中极显著上调(P<0.01)。编码乙酰胆碱脂酶(acetylc­holinesterase)的基因在生长快速群体中显著上调(P<0.01)。

图 6 生长快速和生长缓慢硬壳蛤PPAR信号转导相关通路关键基因表达 Fig. 6 Expression of key genes of AMP signaling pathway related to rapid and slow growth of hard-shelled clams 注: **表示 P<0.01中, 极显著相关

图 7所示, 对消化相关基因富集分析表明, 编码脂肪酸降解的关键基因3-酮酰基-CoA硫解酶(3-ketoacyl-CoA thiolase)基因在生长快速群体中极显著下调(P<0.001); 编码葡萄糖差向异构酶的基因在生长快群体中显著上调(P<0.01)。

图 7 生长快速和生长缓慢硬壳蛤消化相关通路关键基因表达 Fig. 7 Expression of key genes of digestion-related pathways in hard-shelled clams 注: ** 表示P<0.01, 结果具有显著性; ***表示P <0.001, 结果具有极显著性

而如图 8所示, 对免疫相关基因富集分析表明编码过氧化物蛋白酶(Peroxidase protease)的基因在生长快速群体中显著上调(P<0.01), 编码组织蛋白酶(Cathepsin)的基因在生长快速群体中极显著上调(P<0.001)、编码蛋白磷酸酶(protein phosphatase)的基因在生长快群体中极显著上调(P<0.0001)。

图 8 生长快速和生长缓慢硬壳蛤免疫相关通路分析及关键基因表达 Fig. 8 Analysis of immune-related pathways and expression of key genes in hard-shelled clams 注: ** 表示P<0.01, 结果具有显著性; ***表示P<0.001, ****表示P<0.0001结果均具有极显著性
3 讨论

硬壳蛤作为重要的池塘养殖物种, 因其经济价值高而广泛养殖。生长性状差异是影响其经济性状的关键因素。在经济贝类研究中, 提升生长性状是提高经济价值的关键。新品种的生长性状培育通常采用群体选育、多倍体育种、家系育种等方法。在贝类遗传育种的研究中, 研究不同生长速度个体间的分子差异, 是揭示生长性状内在机制的重要途径[14]

大量研究表明生物的生长性状可能和多种因素相关, 一方面受到物种基因内部调控, 例如通过基因改良后的杂交稻相比普通水稻产量高出几倍, 其果实丰盈, 受到全世界的推崇[15]。而对于大宗经济贝类牡蛎, 大量国内外学者通过选育及基因改良, 选育出抗病、壳形规整或是生长迅速的优质牡蛎品种, 产量和抗病能力远高于普通牡蛎[16]。还有研究通过转录组分析香港牡蛎生长调控基因的作用机理, 结果表明, BMP蛋白家族中的BMP1、BMP2、BMP3、BMP7和BMP10等基因可能参与了香港牡蛎的生长调控过程[17]。在Ying等[18]的研究中, 通过比较两组不同生长性状的牡蛎转录组及代谢组之间差异, 鉴定出了289种蛋白质和224种代谢产物在两组牡蛎之间差异表达, 揭示了牡蛎生长调节、营养质量等相关生理活动的分子机制。生物生长性状和其生长的环境及外界摄食条件息息相关, 例如香港牡蛎在上市前会在秋冬季迁移到高盐海区快速育肥, 不同育肥方式或者不同海域育肥的效果均可能影响香港牡蛎的生长状态[19-20]。因此我们通过对生物体进行转录组测序, 筛选可能影响硬壳蛤生长性状的相关通路及关键基因。

对所筛选到的1 590个差异基因在KEGG通路富集分析中发现差异基因显著富集到脂肪降解和吸收、精氨酸和嘌呤代谢等营养物质消化和吸收相关通路, 以及过氧化物酶体、溶酶体和凋亡等免疫相关通路, 表明消化与免疫相关通路可能是决定硬壳蛤生长速度差异形成的关键。

3.1 硬壳蛤差异个体PPAR信号转导相关通路基因表达差异

过氧化物酶体增殖物激活受体(Peroxisome proliferator-activated receptors, PPAR)是核受体家族的成员, 该受体能够调节多种生物学功能, 包括糖代谢和脂肪细胞分化、物质传递等。PPAR在多种组织中表达, 包括脂肪组织、肌肉和肝脏[21]。而在PPAR信号通路转导过程中蛋白磷酸酶调节亚基是通路中关键的信号调节因子, 其主要是在信号转导、细胞分化及DNA复制中的关键蛋白的去磷酸化起到关键作用[22]。如图 6所示编码蛋白磷酸酶调节亚基的基因在生长快速硬壳蛤个体中上调, 可能说明蛋白磷酸酶调节亚基在生长快速个体的PPAR信号通路中表达量更高, 可以更好地完成生命体中糖代谢、性成熟等过程, 使得硬壳蛤个体的生长速度更快。过氧化物酶体酰基辅酶A属于酰基辅酶A硫酯酶家族中的一员, 可以催化脂肪酰基辅酶A水解形成游离脂肪酸, 通常分布在细胞质、内质网中, 通常作为一些转录因子的配体, 参与了信号传导、胞内运输等生物过程[23]。而在图 6中的结果显示, 信号表达通路中编码过氧化物酶体酰基辅酶A的基因显著上调, 可能说明蛋白磷酸酶调节亚基在生长快速个体的PPAR信号通路中表达量更高, 在生物体中可以更高效地完成信号转导物质传递等生命过程, 可能直接影响硬壳蛤生长速度。乙酰胆碱脂酶是生物神经传导中的一种关键性的酶, 在胆碱能突触间, 该酶降解乙酰胆碱, 终止神经递质对突触后膜的兴奋作用, 保证神经信号在生物体内的正常传递[24]图 6结果显示, 信号表达通路中编码乙酰胆碱脂酶的基因显著上调, 可能说明乙酰胆碱脂酶在生长快速个体的PPAR信号通路中表达量更高, 生长快速硬壳蛤信号转导、物质传递及运输等方面效率可能高于生长缓慢硬壳蛤, 进而影响了硬壳蛤生长速度。

3.2 硬壳蛤差异个体消化相关通路基因表达差异

生物体生长快慢和其对于物质的吸收程度和能力都息息相关, 在Chen等[25]研究中发现牡蛎个体脂肪酸含量和其摄食密切相关, 消化能力较强摄食较多个体相对摄食能力差消化能力差的个体生长速度要快。3-酮酰基-CoA硫解酶是脂肪酸合成及分解过程中的关键酶, 通常在脂肪酸氧化的最后一步使3-酮酰基-CoA被催化后的产物乙酰-CoA脱去2个碳原子形成脂酰-CoA, 对于生物体的脂肪酸代谢起到了不可或缺的作用[26]。而如图 7所示在两组个体转录组数据对消化相关通路富集分析发现, 脂肪酸降解相关通路中, 脂肪酸降解的关键基因编码3-酮酰基-CoA硫解酶的表达量中D组表达量显著(P<0.001)低于X组个体表达量, 猜测可能生长快个体中脂肪酸降解较慢积累更多脂肪酸于生物体中, 个体生长得益于脂肪酸的积累生长更快。葡萄糖差向异构酶是糖代谢及多糖合成过程中重要的催化酶, 尤其是在生物体对纤维素等多糖的消化过程中起到了重要的作用[27]。在两组硬壳蛤胰岛素代谢途径中发现编码葡萄糖差向异构酶表达量具有差异明显(P<0.01), 生长快个体显著高于生长慢个体, 该物质表达可能使个体摄取能量效率更高, 从而生长速度相比其他个体更快。

3.3 硬壳蛤差异个体免疫相关通路基因表达差异

免疫反应是机体在漫长的生物进化过程中形成的具有适应性抵御外界不良因素的防御系统, 是生物体的一种生理性保护机制。贝类的免疫系统主要依赖于先天免疫, 先天免疫能力主要包括基本的生理和生化过程。溶酶体酶、蛋白磷酸酶、过氧化物蛋白酶是体液免疫的基础[28]。在诸多影响免疫的关键酶中蛋白磷酸酶是一系列的蛋白质水解酶, 是蛋白水解的主要参与者。它广泛存在于无脊椎动物、脊椎动物、微生物和植物组织, 主要位于细胞内溶酶体中, 在生物体不同组织的生理病理过程中发挥关键作用[29]。如图 8所示, 蛋白磷酸酶在生长快个体中显著上调(P<0.000 1)说明蛋白磷酸酶在生长快硬壳蛤的免疫应答反应中起到了关键作用, 可能影响其在不利条件下的生长速度, 蛋白磷酸酶表达量高, 免疫能力强, 生长状态好, 生长速度快。研究表明生物体的组织蛋白酶B参与了细菌感染和接种过程中的宿主免疫应答[30-31], 组织蛋白酶在生长快个体中显著上调(P<0.001)可能表示生长快个体在机体免疫方面更强, 生长过程不易受到病原体入侵, 相比另一部分个体生长状态更好。在对凡纳滨对虾的研究中发现过氧化物蛋白酶在感染微囊藻毒素的对虾个体中表达量较高, 而其中表达量高的个体生长状态相比表达量低的个体好, 这表明过氧化物蛋白酶在机体免疫方面起着重要作用[32]。在硬壳蛤中过氧化物蛋白酶在生长快个体中显著上调(P<0.01), 硬壳蛤免疫能力较强, 从而导致这部分个体生长速度明显高于另一部分个体。

4 结论

本研究通过对硬壳蛤相同年龄的两组不同生长速度的硬壳蛤转录组数据进行分析比较, 探究硬壳蛤生长速度快慢的影响基因。结果表明, 编码蛋白磷酸酶调节亚基和过氧化物酶体酰基辅酶A的基因可能在PPAR信号通路中影响硬壳蛤的糖代谢、物质传递等生命活动过程, 进而导致不同硬壳蛤生长速度的差异。这些基因表达量高的个体可能具有较强的细胞内的代谢和物质传递能力, 因此生长速度较快; 此外, 分析结果显示编码过氧化物蛋白酶、组织蛋白酶和蛋白磷酸酶的分泌基因可能影响硬壳蛤的免疫能力, 导致硬壳蛤的生长速度存在较大差异。这些基因表达量高的个体具有较强的免疫能力, 因此生长速度较快; 最后, 编码3-酮酰基-CoA硫解酶、乙酰胆碱脂酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶的基因表达差异可能决定不同硬壳蛤的消化能力差异, 导致硬壳蛤的生长速度之间存在较大差异。这些基因表达量高的个体具有较强的消化能力, 因此生长速度较快。此试验结果为开展帘蛤类组学研究提供了基因资源库, 也为今后硬壳蛤功能基因的挖掘和良种选育提供理论依据。

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