Число хромосом у разных видов
| Вид | 2n |
| Человек (Homo sapiens) | 46 |
| Горилла | 48 |
| Макака (Macaca mulatta) | 42 |
| домашние животные | |
| Кошка (Felis domesticus) | 38 |
| Собака (Canis familiaris) | 78 |
| Кролик | 44 |
| Лошадь | 64 |
| Корова (Bovis domesticus) | 120 |
| Курица (Gallus domesticus) | 78 |
| Утка | 80 |
| Свинья | 40 |
| Овца | 54 |
| лабораторные животные | |
| Плодовая мушка (D.melanogaster) | 8 |
| Морской еж (Strongylocentrotus purpuratus) | 42 |
| Шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) | 36 |
| Мышь (Mus musculus) | 40 |
| Дрожжи (S.cerevisiae) | 32 |
| Нематода | 22/24 |
| Крыса | 42 |
| Морская свинка | 16 |
| позвоночные | |
| Еж | 96 |
| Лиса | 34 |
| Голубь | 16 |
| Карп | 104 |
| Минога | 174 |
| Лягушка (Rana pipiens) | 26 |
| Cазан | 104 |
| растения | |
| Клевер | 14 |
| Тополь | 38 |
| Кукуруза (Zea mays) | 20 |
| Горох | 14 |
| Береза | 84 |
| Ель | 24 |
| Лук (Allium cepa) | 16 |
| Арабидопсис (Arabidopsis thaliana) | 10 |
| Картошка (S.tuberosum) | 48 |
| Ужовник | 48 |
| лилия | 24 |
| Хвощ | 216 |
| Томат | 24 |
| Крыжовник | 16 |
| Вишня | 32 |
| Рожь | 14 |
| Пшеница | 42 |
| Папоротник | ~1200 |
| беспозвоночные | |
| Миксомицеты | 14 |
| Трипаносома | ? |
| Бабочка | 380 |
| Шелкопряд | 56 |
| Протей (Necturus maculosis) | 38 |
| Рак (Cambarus clarkii) | 200 |
| Гидра | 30 |
| Аскарида | 2 |
| Пчела | 16 |
| Муравей (Myrmecia pilosula) | 2 |
| Виноградная улитка | 24 |
| Земляной червь | 36 |
| Речной рак | 116 |
| Малярийный плазмодий | 2 |
| Радиолярия | 1600 |
Наименьшее число хромосом: самки подвида муровьев Myrmecia pilosula имеют пару хромосом на клетку. Самцы имеют только 1 хрососому в каждой клетке.
Наибольшее число: вид папоротников Ophioglossum reticulatum имеет около 630 пар хромосом, или 1260 хромосом на клетку
Верхний предел числа х-м не зависит от количества ДНК которое в них входит: у американской амфибии Amphiuma ДНК в ~30 раз больше, чем у человека, которая помещается в 14 хромосомах. Самая маленькая хромосома амфибии больше самых крупных хромосом человека —> большое количество ДНК может не влиять на увеличение числа хромосом.
Нет верхнего предела ограничивающего количество хромосом: бабочка Lysandra nivescens n=140-141 хромосома.
Существует минимальная масса хромосомы необходимая для расхождения хромосом в митозе — критическая масса. Наличие такой массы может частично объяснить избыточность ДНК.
Гомологические ряды по числу хромосом Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»
УДК 581.154:575.26
ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ ПО ЧИСЛУ ХРОМОСОМ
А.А. МАХРОВ
(Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН)
Анализ литературных данных по кариотипам разных групп организмов — лососевидных рыб, грызунов, паразитических перепончатокрылых и злаков — позволяет сделать вывод о существовании гомологических рядов по числу хромосом. Обсуждаются возможные причины существования этих рядов: разная выживаемость особей с различным числом хромосом и крупные перестройки генома, ведущие к одновременному слиянию ряда хромосом.
Ключевые слова: гомология, кариотип, эволюция, отбор, хромосомы.
После публикации работы Н.И. Вавилова [4] появилось значительное число исследований, описывающих гомологические ряды разных организмов по различным признакам. Однако признаки кариотипа эти работы почти не затронули, исключение — статья Ю.Ф. Богданова [2], где описаны гомологические ряды изменчивости признаков мейоза.
Отметим также, что М. Д. Д. Уайт использовал для описания эволюции карио-типов «принцип гомологического изменения» («principle of homologous change»), который заменил позже понятием «кариотипической ортоселекции» [24]. Кроме того, в некоторых случаях (при сходстве основного числа хромосом) полиплоидные ряды, наблюдаемые у ряда растений [11], можно, видимо, считать гомологическими рядами.
Такие случаи стали выявляться в последние годы. Это связано с тем, что в настоящее время накопился значительный массив данных о хромосомных числах разных групп организмов. Кроме того, начали активно применяться тонкие методы анализа эволюции кариотипа (в частности, дифференцированное окрашивание хромосом) и появились молекулярно-генетические методы, позволяющие выявлять филогению организмов и тем самым параллелизмы в эволюции кариотипа.
Нами рассмотрены только несколько «модельных» групп организмов, наиболее тщательно изученных кариологами в настоящее время. Весьма вероятно, что дальнейшие исследования позволят значительно увеличить число примеров гомологических рядов по числу хромосом.
Подотряд лососевидных (Salmonoidei). Эта группа рыб объединяет семейства лососевых (Salmonidae), сиговых (Coregonidae) и хариусовых (Thymallidae). Представители семейства хариусовых имеют около 100 хромосом. У лососевых и сиговых рыб наиболее распространены кариотипы с числом хромосом около 80 и около 60 [обзор: 21]. Эти группы выражены настолько ясно, что их первооткрыватель Г. Свардсон [23] считал их полиплоидными рядами.
Однако в настоящее время известно, что все лососевидные происходят от общего предка — тетраплоида, у которого было около 112 хромосом [13]. В серии работ Ю.П. Зелинского [6-8] показано, что эти ряды связаны с диплоидиза-цией — скачкообразным слиянием групп хромосом, происходящим независимо в разных линиях (в частности, кариотипы с 2n около 60 независимо возникали, по крайней мере, 6 раз!). Таким образом, эти ряды (справедливо будет называть их рядами Свардсона-Зелинского) — яркое проявление гомологических рядов по числу хромосом.
Грызуны подсемейства Arvicolinae. У слепушонок (Ellobius) отмечены кариотипы с 2n=17 (E. lutescens), 2n=36 (E. fuscocapillus) и 2n=54 (E. talpinus), что давало возможность предположить существование в пределах этого рода полиплоидного ряда. Однако это предположение не подтвердилось в ходе изучения количества ДНК у разнохромосомных видов [10].
Предполагается, что предковым для слепушонок был кариотип 2n=54. Уменьшение числа хромосом происходило как в ряду E. talpinus — E. fuscocapillus — E. lutescens, так и независимо у другого вида этого рода, E. talpinus. В пределах последнего обнаружен «робертсоновский веер» с 2n=54-31 [3]. Детальное исследование этого «веера» показало, что он сформирован, по всей видимости, за счет гибридизации форм с большим и малым числом хромосом [19].
Предковый кариотип серых полевок (Microtus) также имел 2n=54; многие виды этого рода сохранили близкое число хромосом (2n=46-62). Уменьшение хромосом шло независимо у предков подродов Stenocranius (2n=36) и Alexandromys (2 изученных вида этого рода имеют кариотипы с 2n=30 и 2n=41) [18]. Известны виды этого рода и с еще более низким числом хромосом — 2n=17-18 и 2n=24 [20].
Паразитические перепончатокрылые (Hymenoptera). В монографии В.Е. Гох-мана [5] после детального анализа кариологических признаков делается вывод, что исходным для этой обширной группы организмов было n=14-17. В ходе эволюции независимо и неоднократно происходило уменьшение числа хромосом сначала до n=9-11, потом также независимо в нескольких эволюционных ветвях — до n=5-6. Следует отметить, что речь идет о наиболее часто встречающихся ка-риотипах, в этой группе отмечены и другие хромосомные числа, но встречаются они реже.
Семейство злаков (Poaceae). В обзоре А.И. Щаповой [14], посвященном хромосомной эволюции злаков, отмечено, что «гомологическую изменчивость следует, вероятно, учитывать не только на организменном, но и на клеточном уровне». Реконструкция происхождения этих растений крайне сложна; однако, по крайней мере, один факт в эволюции этой группы имеет значение для нашей работы.
В ходе эволюции кукурузы она прошла полиплоидизацию; но полиплоид с 2n=20 в результате как минимум 17 хромосомных перестроек быстро восстановил кариотип 2n=10 [22]. Такая «циклическая» эволюция ярко показывает, что есть некие процессы, способные активно вести эволюцию кариотипа в определенном направлении. Эти процессы мы и рассмотрим в следующих разделах работы.
Крупные перестройки генома как причина возникновения гомологических рядов по числу хромосом
Независимое формирование в результате эволюции кариотипа дискретных групп, отличающихся по числу хромосом, может объясняться как минимум двумя не исключающими друг друга причинами: разной выживаемостью особей с различным числом хромосом и крупными перестройками генома, ведущими к одновременному слиянию ряда хромосом.
Перестройки кариотипа, включающие слияние ряда хромосом, выявлены у нескольких групп организмов [17]. Возможные механизмы хромосомных перестроек, приведших к возникновению гомологических рядов по числу хромосом у лососевидных рыб, рассмотрены в работах Ю.П. Зелинского [6-8].
Весьма вероятно, что одновременные слияния ряда хромосом могут быть связаны с мобильными генетическими элементами [16]. Это в какой-то мере объясняет неоднократность таких событий в эволюции той или иной группы — мобильные элементы, связанные с определенными участками хромосом, могут вызывать сходные перестройки генома.
Адаптивность кариотипа
Представление об адаптивном значении кариотипа наиболее ярко отражено в работе [15]. Авторы считают, что каждой «адаптивной зоне» соответствует оптимальный кариотип. Эта точка зрения подтверждается приведенными выше примерами, хотя и нуждается в уточнении — каждой группе может соответствовать два или более оптимальных кариотипа.
Нужно отметить также, что связь кариотипа с определенным комплексом адаптаций может быть не прямой. Эксперименты на рассмотренных выше группах организмов — слепушонках [9] и злаках [14] — показали, что отбор в пользу особей с определенным числом хромосом идет и в искусственных условиях. Таким образом, «оптимальный» кариотип, вероятно, обеспечивает не столько повышенную адаптивность, сколько повышенную жизнеспособность особей.
Повышенная изменчивость кариотипа «молодых» групп, описанная Бикхемом и Бакером [15], скорее всего, не адаптивная радиация (иначе бы значительная часть возникших кариотипов сохранилась бы до «старости» групп), а следствие выживания носителей неоптимальных генотипов в период низкой численности группы, проникшей в новую адаптивную зону [1].
Работы, демонстрирующие наличие «оптимального» кариотипа, крайне важны с теоретической точки зрения, поскольку гомологические ряды неоднократно использовались противниками теории естественного отбора для обоснования возможности эволюции, направляемой фантастическими внутренними причинами (номогенеза, ортогенеза и т.п.). Наиболее полный обзор таких работ представлен в книге И.Ю. Попова [12].
Рассмотренные нами гомологические ряды по числу хромосом дают возможность отвергнуть подобные объяснения реально существующих закономерностей биологического разнообразия. Благодаря экспериментальным работам мы видим, что разнообразие хромосомных чисел ограничивается отбором, именно он ведет к преобладанию определенных вариантов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-04-00697).
1. Артамонова В.С., Махров А.А. Генетические системы как регуляторы процессов адаптации и видообразования (к системной теории микроэволюции) // Современные проблемы биологической эволюции. Труды конференции. К 100-летию Государственного Дарвиновского музея. І7-20 сентября 2007. М., 2008. С. 381-403.
2. Богданов Ю.Ф. Гомологические ряды изменчивости признаков мейоза: эволюция и консерватизм // Эволюция, экология, биоразнообразие. Материалы конференции памяти Николая Николаевича Воронцова (і934-2000). 26-27 декабря 2000 г. М.: УНЦ ДО, 200І. С. 60-75.
3. Борисов Ю.М., Ляпунова Е.А., Воронцов Н.Н. Эволюция кариотипа рода Ellobius (Microtinae, Rodentia) // Генетика. І99І. Т. 27. № 3. С. 523-532.
4. Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Саратов: Губполиграфотдел, І920. 16 с.
5. Гохман В.Е. Кариотипы паразитических перепончатокрылых (Hymenoptera). М.: То -варищество научных изданий КМК, 2005. І85 с.
6. Зелинский Ю.П. Структура и дифференциация популяций и форм атлантического лосося. Л.: Наука, І985. І28 c.
7. Зелинский Ю.П., Махров А.А. Хромосомная изменчивость, реорганизации генома в филогенезе и систематические отношения благородных лососей Salmo и Parasalmo (Salmonidae) // Вопросы ихтиологии. 200І. Т. 4І. № 2. С. І84-І9І.
8. Зелинский Ю.П., Махров А.А. Гомологические ряды по числу хромосом и перестройки генома в филогенезе лососевидных рыб (Salmonoidei) // Генетика. 2002. Т. 38. № І0. С. І3І7-І323.
9. Ляпунова Е.А., Баклушинская И.Ю., Блехман А.В., Богданов А. С., Брандлер О.В. Динамика генофондов природных популяций животных при видообразовании // Динамика генофондов растений, животных и человека. Отчетная конф. М., 2005. С. І9-20.
10. Ляпунова Е.А., Ляпунова Н.А., Воронцов Н.Н. Генетика слепушонок (Ellobius, Ro-dentia). Сообщение II. Количество ДНК, размеры ядер и суммарная длина хромосом у видов с кратными изменениями диплоидного числа хромосом // Генетика. І979. Т. І5. № 8. С. І480-І483.
11. Навашин М.С., Чуксанова Н.А. Число хромосом и эволюция // Генетика. І970. Т. 6. № 4. С. 7І-83.
12. ПоповИ.Ю. Периодические системы и периодический закон в биологии. СПб.; М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008. 223 с.
13. Фролов С.В. Изменчивость и эволюция кариотипов лососевых рыб. Владивосток: Дальнаука, 2000. 229 с.
14. Щапова А.И. Эволюция базового числа хромосом в семействе злаковых (Poaceae Barnh.) // Вавиловский журнал генетики и селекции. 20ІІ. Т. І5. № 4. С. 769-780.
15. Bickham J.W., Baker R.J. Canalization model of chromosomal evolution // Bulletin Carnegie Museum of Natural History. І979. №. І3. Р. 70-84.
16. Fontdevila A. Genetic instability and rapid speciation: are they coupled? // Genetica. І992. V 86. Р. 247-258.
17. KingM. Species evolution: the role of chromosome change. Cambridge: Cambridge University Press, І993. 336 p.
18. Lemskaya N.A., Romanenko S.A., Golenishchev F.N., Rubtsova N.V, Sablina O.V., Serdukova N.A., O’Brien P.C.M., Fu B., Yigit N., Ferguson-Smith M.A., Yang F., Graphodatsky A.S. Chromosomal evolution of Arvicolinae (Cricetidae, Rodentia). III. Karyotype relationships of ten Microtus species // Chromosome Research. 20І0. V І8. P. 459-47І.
19. Lyapunova E.A., Vorontsov N.N., Korobitsyna K.V, Ivanitskaya E.Yu., Borisov Yu.M., Yakimenko L.V., Dovgal VYe. A robertsonian fan in Ellobius talpinus // Genetica. І980. V 52/53. P. 239-247.
20. Modi W.S. Phylogenetic analyses of chromosomal banding patterns among the Nearctic Arvicolidae (Mammalia, Rodentia) // Syst. Zool. І987. V. 36. P. 109-і3б.
21. PhillipsR., Rab P. Chromosome evolution in Salmonidae (Pisces): an update // Biological Reviews. 2001. V. 76. P. 1-25.
22. Salse J., Feuillet C. Palaeogenomics in cereals: Modeling of ancestors for modern species improvement // C. R. Biologies. 2011. V 334. P. 205-211.
23. Svardson G. Chromosome studies on Salmonidae // Report Swedish State Inst. of Freshw. Fishery Res., Drottningholm. 1945. №. 23. 151 p.
24. White M.J.D. Animal cytology and evolution. L., N.Y.: Cambridge Univ. Press, 1973.
961 p.
HOMOLOGOUS SERIES BY CHROMOSOME NUMBER
A.A. MAKHROV
(A.N. Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences, Leninsky av. 33, 119071, Moscow, Russia)
Analysis of published data on karyotypes of various organisms groups of, such as salmonid fishes, rodents, parasitic hymenopterans, and gramineous crops, leads to the conclusion that there are homological series with respect to the number of chromosomes. The possible reasons for the existence of these series are discussed, including differential survival of individuals with different numbers of chromosomes and large genomic rearrangements resulting in simultaneous fusion of a number of chromosomes.
Key words: homology, karyotype, evolution. selection, chromosomes.
Информация об авторе
Махров Александр Анатольевич — к. б. н., научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; e-mail: [email protected]
Эволюция кариотипов рыбообразных и рыб
Число хромосом у рыбообразных и рыб изучали многие исследователи. К настоящему времени число хромосом определено для более чем 1700 видов. Хромосомные наборы оказались очень разнообразными, диплоидные числа варьируют в пределах от 12 до 250. Еще более изменчиво суммарное количество ДНК, содержался в клеточном ядре; оно возрастает (при расчете на гаплоидный кариотип) от 0.4 пг (0.4 X 10-12г) у одного из представителей семейства иглобрюхих (Tetraodontidae) до 163 пг у двоякодышащих, т. е. в 400 раз.
Такую необычайную изменчивость можно объяснить тем, что рыбы и круглоротые представляют собой древнюю, весьма гетерогенную группу животных, дивергировавшую за сотни миллионов лет в самых разнообразных направлениях.
Рассмотрим теперь закономерности эволюционных преобразований кариотипа в отдельных наиболее изученных таксонах.
Данных по круглоротым (Cyclostomata) недостаточно для каких-либо обобщений. Можно лишь отметить, что две группы — миксины и миноги — сильно разошлись в ходе эволюции. У миксин (Myxinidae) найдено небольшое число хромосом при значительном содержании ДНК, у миног (Petromyzoniformes), наоборот, хромосом много, особенно у обитателей северного полушария, но количество ДНК невелико.
Среди собственно рыб (Pisces) наиболее примитивные группы, и частности хрящевые (акулы, скаты, химеры), эволюционировали и сторону увеличения числа хромосом и параллельного увеличения количества ДНК. У некоторых скатов кариотип состоит почти из 100 хромосом; исключение представляет только электрический скат из сем. Torpedinidae — Narcinе brasiliensis с 28 хромосомами. У всех хрящевых рыб, за исключением химер, увеличено содержание ДНK в ядрах клеток — оно составляет от 2.8 до 16.2 пг на гаплоидный набор.
У двоякодышащих (Dipnoi) эволюция кариотипа шла в направлении очень значительного увеличения количества ДНК в ядре – у современных видов оно составляет от 80 до 160 пг. Вместе с тем число хромосом у них невелико.
Изучение величины клеток у ископаемых предков современных двоякодышащих показало, что она возрастала постепенно, но неуклонно. Параллельно увеличивалось и содержание ДНК в ядрах. Вероятно, это связано с тем, что двоякодышащие имеют дополнительный орган дыхания, позволяющий переходить на дыхание атмосферным воздухом. Сосуществование двух механизмов дыхания требовало большой пластичности физиологических процессов и многократное увеличение количества ДНК обеспечивало организм необходимым количеством разнообразных ферментов. Усиливавшаяся специализация двоякодышащих и ограниченность пригодных для их жизни экологических ниш (неглубокие заиленные, хорошо прогреваемые пресноводные водоемы) способствовали уменьшению числа хромосом и созданию тем самым более устойчивых генных комплексов.
Хрящевые ганоиды (сем. Acipenseridae и Polyodontidae) имеют много хромосом и довольно значительное количество ДНК, в этом отношении они похожи на селяхий. Возможно, что такое развитие кариотипа связано с образом жизни и размерами рыб, в частности с их большой подвижностью и способностью к быстрому росту. Эти две группы рыб объединяет еще одна особенность — наличие у многих из них мелких точечных микрохромосом. Роль микрохромосом выяснена вообще недостаточно, хотя некоторые кариологи предполагают, что они содержат «избыточный» генетический материал, используемый в случае необходимости усиленного синтеза белков. Число таких хромосом в наборе может варьировать; их наличие можно рассматривать как своеобразный механизм увеличения хромосомной изменчивости без нарушения целостности основного генома.
Семейство осетровых по числу хромосом и содержанию ДНК в ядре распадается на две группы. К одной принадлежат многохромосомные осетры (Acipenser guldenstadti, A. baeri, А. nассаrii) к другой — белуга и калуга (род Huso), стерлядь, шип и севрюга (A. ruthenus, A. stellatus, A. nudiventris), лопатонос (Scaphirhynchus platorhynchus), а также западноевропейский осетр (A. sturio), имеющие вдвое меньшее число хромосом.
Надо отметить, что имеются разногласия относительно метода подсчета хромосом у осетровых рыб: одни кариологи учитывают все микрохромосомы, другие не принимают их в расчет. Несмотря на эти разногласия, наличие двух кариологических групп в семействе осетровых несомненно.
Различия между этими группами в количестве ДНК на геном и в величине эритроцитов свидетельствуют в пользу гипотезы о полиплоидном происхождении некоторых видов сем. Acipenseridae. Имеются доказательства полиплоидного происхождения и американского веслоноса Polyodoii spathula, Polyodontidae.
Интересны пути эволюции кариотипа в отрядах сельдеобразных (Clupeiformes) и лососеобразных (Salmoniformes).
Сельди, анчоусы и близкие к ним семейства в основном, сохранили числа хромосом (2n от 48 до 52), характерные для предков современных костистых рыб, однако некоторые виды представляют исключение. У рыбы из сем. Gonostomatidae — Гоностомовые (Gonostoma bathyphllum) — семейство глубоководных рыб из отряда стомиеобразных, или иглоротов (Stomiiformes), обнаружено всего 12 крупных хромосом. Это пока самое малое число хромосом, найденное у рыб. В том же роде у другого вида, G. elongatum, набор состоит из 48 хромосом. Судя по наличию в мейозе шести кольцевых тетрад, большие хромосомы G. bathyphilum образовались в результате нескольких центрических слияний. Хромосомный комплекс этого вида напоминает хромосомный набор растения дурмана (Oenothera), характеризующийся постоянной структурной гетерозиготностью генома.
В отряде лососеобразных(Salmoniformes) выделяются по своим кариотипам лососевые (Salmonidae) и хариусы (Thymallidae). Можно считать доказанным, что все рыбы этих семейств в конце третичного или в начале четвертичного периодов прошли через удвоение своего хромосомного набора. У исходного (вероятно, общего для всей группы) тетраплоида должно было быть около 96-100 хромосом. В дальнейшем, в процессе расселения лососей, сигов и хариусов, шла дивергенция кариотипов, сопровождавшаяся вторичной диплоидизацией генома. Число хромосом у всех видов, за исключением хариусов, уменьшилось в той или иной степени. О полиплоидности лососей и сигов говорят и генетические данные, а именно наличие в геноме большого числа дуплицированных локусов.
Дивергенция лососевых привела к очень большому разнообразию кариотипов даже в пределах одного рода. Так, у тихоокеанских лососей (Oncorhynchus) число хромосом меняется в пределах от 74 у кеты до 52 у горбуши; число плеч (N. F.- фундаментальное число) остается при этом почти неизменным. Считается, что почти все хромосомные перестройки, происходившие при дивергенции Oncorhynchus, относятся к типу центрических слияний (робертсоновских транслокаций). Кета рассматривается как вид, наиболее близкий к исходной форме, имевшей около 100 акроцентрических хромосом. Самым «продвинутым» (по кариотипу) видом следует считать горбушу, имеющую только метацентрические хромосомы.
Диплоидные числа у представителей рода Salmo варьируют и пределах от 80-82 до 54, число плеч, однако, уменьшено только у трех видов: S. trutta, S. ischchan и S. salar. Большой интерес представляет кариотип S.salar (лосось атлантический). У европейского атлантического лосося большинство исследователей находят 58 хромосом. В отношении лосося американского побережья имеются разногласия. Были обнаружены различия по числу хромосом между различными американскими популяциями от 54 до 56 хромосом. Вероятно, эти различия можно объяснить робертсоновскими транслокациями, так как число плеч остается почти постоянным (72). Отличия могут быть связаны также и с ошибками исследований. В целом, можно считать, что атлантический лосось претерпел больше всего хромосомных перестроек — не менее 37-40. Большая внутривидовая изменчивость по числу хромосом наблюдается и у американского пресноводного лосося S. Clarki ( 2n=64, 66, 68; N. F. = 104).
Род Salvelinus (гольцы) дивергировал в более слабой степени, предполагается, что эта дивергенция началась позднее (до или после первого ледникового периода) и еще не завершилась. Морфологическое изучение гольцов позволяет предполагать, что они произошли от сходной с Salmo trutta (кумжа) формы.
Среди современных гольцов (Salvelinus) выделяются большим разнообразием как по кариотипам, так и по своим морфобиологическим особенностям многочисленные североазиатские представители видов S. alpinus и S. malma, у многих из них диплоидное число хромосом сильно варьирует (табл. 1).
Среди сигов (род Coregonus) многие виды имеют 80 хромосом; у некоторых сигов число хромосом уменьшено до 78-74; только один вид, чир (С. nasus), характеризуется существенным уменьшением хромосомного набора. По-видимому, дивергенция геномов у Coregonus произошла сравнительно недавно. Сиги американского рода Prosopium изменились сильнее, дивергенция, возможно, была ускорена разнообразием мало заселенных рыбами экологических ниш в их ареале.
Таблица 1 – Число хромосом и хромосомных плеч у лососевых (без сигов)
| Вид | 2n | N. F. | Предполагаемое число хромосомных перестроек по отношению к гипотетическому предку (по: Викторовский, 1975). | ||
| центрические слияния | перицентрические инверсии | всего | |||
| Oncorhynchus keta | 100—102 | ||||
| О. tschawytscha | 100—104 | ||||
| О. masu (-rodurus) | 19—20 | 19—20 | |||
| О. kisutch | 104—106 | 22—23 | 22—23 | ||
| О. nerka | 57—58 | 102—104 | 23—24 | 23—24 | |
| О. gorbusha | 52—54 | 100—104 | |||
| Salmo trutta | 78—82 | 98—100 | |||
| S. ischchan | 80—82 | 98—100 | |||
| S. letnica | |||||
| S. carpio | — | — | — | ||
| S. salar | 54—60 | 72—74 | 22—24 | 37—39 | |
| S. (Parasalmo) gairdneri (-irideus) | 58—65 | ||||
| S. (P.) mykiss | 58—62 | 104—108 | — | — | — |
| S. (P.) clarki clarki | |||||
| S. (P.) clarki hen shavi | |||||
| S. (P.) clarki levisi | |||||
| S. (P.) aguabonita | |||||
| S. (P.) apache | 56(58) | ||||
| S. (P.) gilae | 105—106 | — | — | — | |
| Salmothymus obtusirostris | |||||
| Salvelinus fontinalis | |||||
| S. namaycush | |||||
| S. leucomaenis | 84—86 | 9—10 | 11 — 12 | ||
| S. alpinus | 80—84 | 96—100 | |||
| S. (alpinus) cronocius | 78—82 | 11 — 13 | 13—15 | ||
| S. malma malma | 76—78 | 13—14 | 17—18 | ||
| S. m. krascheninnikovi | 82—84 | 10—11 | 13—14 | ||
| S. m. curilus | 84—86 | 9—10 | 11 — 12 | ||
| Hucho taimen | |||||
| H. perryi | — | — | — | ||
| Brachymystax lenok | 90(92) | 100(116) | |||
| Stenodus leucichthys | — | — | — |
Хариусы сохранили, по-видимому, в наибольшей степени свой «предковый» кариотип (по числу хромосом), но у них в ходе эволюции увеличилось число плеч. Наиболее вероятным механизмом этого увеличения являются перицентрические инверсии.
Близкие к лососям и сигам семейства того же отряда — корюшки (Osmeridae), аргентины (Argentinidae), глубоководные батилаговые (Bathylagidae) — очевидно, остались на исходном диплоидном уровне. Об этом говорят данные о числе хромосом и содержании ДНК. У некоторых обитателей больших глубин из семейства батилагид количество ДНК увеличено, повышено у них и число хромосом. Вероятнее всего это связано не с полиплоидией, а с тандемными дупликациями хромосомного материала и перестройками генома в результате транслокаций.
Трудно судить о причинах уменьшения числа хромосом в ходе вторичной диплоидизации геномов лососевых рыб. Возможны три объяснения.
1.Уменьшение диплоидных наборов происходило автоматически, в результате большей вероятности слияния хромосом (с последующей фиксацией таких перестроек), чем их разделения. Полиплоидия способствовала соединению родственных по происхождению хромосом.
2.Уменьшение числа хромосом связано со специализацией видов, в ходе которой образование комплексов сцепленных генов давало несомненное приспособительное преимущество.
3. Центрическое слияние родственных хромосом было выгодно, так как способствовало ускорению диплоидизации у полиплоидов.
Вероятность чисто случайной фиксации хромосомных перестроек без участия отбора очень мала, особенно если учесть редкость таких перестроек. Более вероятно, что при эволюционных преобразованиях сохранялись те перестройки, которые имели адаптивную ценность. Эти соображения заставляют считать селективные объяснения более обоснованными.
Отметим еще, что следы не очень древней полиплоидизации лососевых проявляются у многих видов лососей в образовании в ходе мейоза кольцевых хромосом, квадривалентов и других отклоняющихся от нормы хромосомных фигур.
Большой интерес представляют эволюционные преобразования отряде карпообразных (Cypriniformes). Удивительно устойчивым по числу хромосом оказалось семейство карповых; если не считать немногих полиплоидов, число хромосом здесь варьирует незначительно, только специализированные горчаки (Rhodeinaе) характеризуются небольшим снижением хромосомных чисел, преобладают наборы с 50 хромосомами (рис. 1). Слабая вариация хромосомных наборов у карповых рыб, вероятнее всего, связана с их биологическими особенностями — высокой плодовитостью, многообразием экологических ниш, приспособляемостью. Все это требует большой генетической изменчивости, свободной перекомбинации генов.
Узнать еще:
ХРОМОСОМНЫЕ НАБОРЫ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПРИЗНАКОВ ПОЛА У РЫБ
- Подробности
Просмотров: 1647
Хромосомы рыб. Совокупность особенностей хромосомного набора
(число хромосом, их форма, размеры и другие признаки) является важнейшей
характеристикой вида. К настоящему времени хромосомные наборы
изучены примерно у 1400 видов рыб [32]. Для многих видов составлены
кариограммы — распределение и систематизация хромосом по
форме и размерам (рис. 1).
Число хромосом у разных видов варьирует очень сильно: от 12 у представителей
сем. СопозтотаШае и до 248 у ленского осетра Ас1репзег
Ьаеп ВгапсИ:. Сведения о числе хромосом у основных объектов товарного
рыбоводства представлены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Данные о кариотипах у некоторых объектов товарного
рыбоводства
* У японских декоративных карпов 2л =99-Н02. Изменчивость обусловлена
варьированием числа микрохромосом от 0 до 4.
Важную роль в эволюции многих видов рыб (карповых, лососевых,
осетровых и др.) играла полиплоидия — кратное увеличение числа хромосомных
наборов. По данным В. П. Васильева [32], из 1400 кариоти-
пически изученных видов не менее 150 являются полиплоидами. Полиплоидом
по происхождению является, например, карп, который имеет
вдвое большее число хромосом, чем подавляющее большинство других
карповых рыб (линь, лещ, плотва и др.). Среди осетровых обнаружены
тетра- и даже октоплоидные виды.
Некоторые различия по числу и структуре хромосом могут наблюдаться
и внутри вида (см. табл. 1). Одним из источников хромосомного
полиморфизма (особенно выраженного у лососевых рыб) являются так
называемые «робертсоновские транслокации» — разделение или слияние
Рис. 1. Хромосомный набор чудского
сига Соге§опи8 1ауагеШ$ 2и’=80. Слева
метафазная пластинка, справа кариограм-
ма той же метафазной пластинки (из
Кайданова, 1976)
хромосомы в области центромеры.46). У черноморской
смариды имеется форма с 2и =46, а также формы с 2л=45 и с 2л =
=44, причем две последние формы возникли в результате слияния одной
и двух пар акроцентрических хромосом соответственно [89, 32]. У одного
и того же вида могут встречаться разные по хромосомной конституции
типы. У щиповок СоЬШз Ышае (2л =48) по особенностям хромосомного
набора выделяют три формы, различающиеся соотношением
мета-, субмета- и акроцентрических хромосом. Наряду с ними обнаружена
и тетраплоидная форма с 2и =96. У С. 1аета 1аета имеется диплоидная
форма (2и =50) и два типа тетраплоидов: с 2л =86 и 2л =94 хромосомами.
Наконец, у С. 1аеша «1па1а имеется диплоидная форма с 2л =50 и тетраплоидная
(с 2л =98 хромосом) [253].
Характеристика кариотипа широко используется в ихтиологических
работах для уточнения систематического положения вида (кариосисте-
матика), а также при изучении вопросов эволюции и филогении рыб.
По кариологическим данным, возможна идентификация межвидовых
гибридов, возникающих в природных популяциях в результате естественной
гибридизации. В селекционных работах анализ кариотипов необходим
при проведении отдаленной гибридизации и при разработке специальных
генетических методов селекции (см. гл. 3). Данные о кариотипах могут
быть полезны при проверке генетической полноценности потомств, полученных
с использованием экстремальных воздействий на половые клетки
или ранние зародыши рыб (например, в случае криоконсервации половых
продуктов). Цитогенетический контроль развивающихся эмбрионов используют
и при получении потомства заводским способом.
Хромосомный механизм определения пола у рыб. У многих видов
рыб, в том числе и у большинства объектов товарного рыбоводства, пол
определяется присутствием в хромосомном наборе пары половых хромосом
(гетерохромосом). Хотя индентификация половых хромосом
представляет большую трудность, у ряда видов (среди объектов товарного
рыбоводства у радужной форели [251]) они выявлены прямым цитологическим
анализом. Хромосомная детерминация пола может быть также
установлена косвенными методами: например, с помощью гормональной
инверсии пола или индуцированного гиногенеза (см. гл. 3).
У рыб известно два типа хромосомного определения пола: с мужской
и женской гетерогаметностью. При мужской гетерогаметности самки
имеют две одинаковые половые хромосомы (генотип XX), а самцы —
две разные (генотип XV). При женской гетерогаметности, наоборот: разные
половые хромосомы у самок (генотип 2М>) и одинаковые у самцов
(генотип 7.2). Таким образом, при мужской гетерогаметности пол будущего
потомка определяется спермием, а при женской — яйцеклеткой.
Большинству исследованных видов рыб свойственна мужская гете-
9
погаметность. Среди объектов товарного рыбоводства она обнаружена
у карпа, белого амура, радужной форели, стальноголового лосося. Женская
гетерогаметность широко распространена среди представителей сем.
карпозубых СуршюдопШае. В некоторых случаях близкие виды имеют
разный тип определения пола. Например, у тиляпии известны виды с мужской
и женской гетерогаметностыо [258].
Наряду со строго раздельнополыми видами (так называемыми гоно-
хористами) среди рыб встречаются гермафродиты [89, 139]. Различают
ювенальный гермафродитизм (присутствие одновременно женских и
мужских половых клеток только на ранних стадиях у неполовозрелых
особей) и истинный гермафродитизм. В последнем случае возможно самооплодотворение,
как, например, у каменного окуня Зеггапиз 8спЪа, ИЛИ
последовательная смена половой принадлежности в онтогенезе (губаны,
сем. ЬаЬпёае). При гермафродитизме решающая роль в детерминации
пола принадлежит, очевидно, негенетическим факторам, а влияние половых
хромосом (если они есть) отступает на второй план.
Триплоиды в аквакультуре | aquafeed.ru
Триплоиды: научная основа
ДНК, молекулярная основа наследственности почти для всей жизни на земле, наиболее часто организована в линейные структуры внутри клеточного ядра, которые называются хромосомами. Каждый отдельный вид животных или растений имеет характерное, постоянное число хромосом. Плоидность означает степень кратности этого основного числа хромосом.
В то время как большинство организмов являются диплоидными (обладая двумя полными наборами хромосом, или 2n), иногда, обычно у растений встречаются полиплоиды, имеющие более двух полных наборов. Фактически, триплоиды (организмы, имеющие три хромосомных набора, 3n) являются вполне обычными у растений в традиционном сельском хозяйстве. Большинство бананов, которые продаются на рынке, являются триплоидами, также как и многие декоративные цветы и деревья. Возможно, наиболее привычное триплоидное растение в сегодняшнем сельскохозяйственном производстве это «бескосточковый» арбуз. Триплоидные животные намного реже, чем триплоидные растения, используются в производстве, главным образом, это рыбы и двустворчатые моллюски.
Главным преимуществом триплоидов в любой форме сельского хозяйства является то, что они, как правило, стерильны. Как упомянуто выше, большинство растений и животных являются диплоидами, каждая клетка тела которых содержит два полных набора хромосом. Нормальный процесс клеточного деления, связанный с ростом, именуемый митозом, обеспечивает точное получение каждой новой дочерней клеткой полного диплоидного набора хромосом. Однако при половом созревании в клетках происходит альтернативный процесс клеточного деления, в результате которого, образуются половые клетки – гаметы, или яйцеклетки и сперматозоиды. Этот процесс (именуемый мейозом) включает два отдельных этапа, называемых, соответственно, мейоз I и мейоз II. Многоступенчатая природа процесса гарантирует, что каждая яйцеклетка или сперматозоид содержит только один полный набор хромосом (гаплоидный, или гаметический набор). Следствием этого редукционного деления является то, что когда сперматозоид и яйцеклетка соединяются при оплодотворении, вновь возникший эмбрион имеет восстановленное диплоидное число хромосом.
Природа стерильности у триплоидов очевидна. Во время первого этапа мейоза схожие хромосомы (называемые «гомологичными» хромосомами) в клетке перед делением объединяются в пары. В триплоидной клетке этот основной этап мейотического процесса работает не точно, потому что гомологичные хромосомы не могут объединиться в пары и разделиться поровну. Такой сбой мейотического деления и объясняет стерильность триплоидов у «бескосточковых» арбузов или устриц с плотным мясом во время нормального репродуктивного периода.
Производство и использование триплоидов
Большинство триплоидных растений, производимых в сельском хозяйстве, являются результатом скрещивания между тетраплоидными (4n) и диплодными родителями, при рекомбинации 2n- и n- гамет образуется триплоидный организм. Поскольку, у животных в общем тетраплоидность невозможна, необходимы другие методы получения триплоидов.
Ключ к разгадке жизнеспособности и пригодности триплоидов у рыб был получен в ходе научных исследований причин появления в природных популяциях особей, у которых отсутствовали вторичные половые признаки. Цитогенетическое изучение этих животных выявило их триплоидность, что подтвердило возможность существования жизнеспособных триплоидов в природе и доступность механизма их получения. В ходе более ранних исследований на амфибиях было обнаружено, что различная обработка яйцеклетки сразу после оплодотворения приводит к образованию триплоидного эмбриона. Короче говоря, это происходит благодаря тому, что в большинстве случаев при оплодотворении икры рыб не происходит завершения второй стадии мейоза. При нормальном ходе оплодотворения яйцеклетка заканчивает процесс мейоза сразу после оплодотворения и лишний хромосомный набор (в виде, так называемого, «вторичного полярного тела») удаляется из яйцеклетки. При использовании холодового или теплового шока, высокого давления, или определенных видов химической обработки это второе деление в мейозе не происходит и дополнительный набор материнских хромосом сохраняется. Получаемые в результате эмбрионы имеют один отцовский и два материнских набора хромосом и являются, следовательно, триплоидами.
На триплоиды возлагали большие надежды, в особенности на триплоидную форель и лосося. Ожидалось, что эти стерильные животные могли бы иметь более высокий темп роста и избежать проблем, которые обычно сопровождают половое созревание, таких как ухудшение качества мяса и уменьшение выхода продукции. Однако на практике оказалось, что триплоидные самцы у лосося подвергаются значительному вторичному половому развитию (возможно из-за большого количества нормального клеточного деления в процессе формирования семенников, предшествующего мейозу). Кроме того, многие промышленные методы получения триплоидов, имеют высокий уровень изменчивости по получаемым результатам (доля реально произведенных триплоидов).
Тем не менее, триплоидная рыба может применяться во множестве ситуаций. Так, например, триплоидная рыба рекомендуется для ситуаций, когда нежелательны межпородное скрещивание или репродуктивная конкуренция у случайно сбежавшей или интродуцированной в естественные водоемы рыбы (с рыбами из природной популяции). Также обнаружено, индуцирование триплоидизации у межвидовых гибридов рыб, которые обычно не дают жизнеспособного потомства, стабилизирует скрещивание и повышает процент оплодотворения. Такие гибриды используются для изучения многих физиологических особенностей рыб, в том числе устойчивости к заболеваниям и адаптации к соленой воде.
Уникальная возможность
Для оценки потенциальных преимуществ, которые можно получить от промышленного использования триплоидов радужной форели, стальноголового и атлантического лосося, компания «Troutlodge» (Америка) одной из первых в данной отрасли начала всесторонние, масштабные эксперименты по совершенствованию процесса триплоидизации. Ранние работы, направленные на уменьшение разброса в результативности триплоидизации, достигли состояния, в котором сейчас достигаются стабильные результаты. Результативность, подтвержденная поточной цитометрией (процесс, который оценивает относительное количество ДНК в клетке; триплоиды имеют в 1,5 раза большее количество ДНК в клетке по сравнению с диплоидами), составляет более 95%, с большинством проб, демонстрирующих 100% долю индукции. Процесс триплоидицации сейчас дает настолько стабильные результаты, что периодический отбор проб на количество триплоидов используется только как метод контроля качества или производится по специальному требованию.
В связи с тем, что самцы триплоидов не пользуются большим спросом в аквакультуре, Troutlodge рекомендует комбинирование триплоидного и однополового (только самки) производства. Триплоидные самки не дают икры и, в общем, превосходят диплоидную рыбу, если выращивание производится до крупной навески, или происходит в нерестовый сезон. Рыбы триплоидной однополой (только самки) линии имеют более высокий темп роста и позволяют получить стабильную продукцию во многих подобных ситуациях. Более низкая устойчивость триплоидов к стрессирующим факторам, выявленная в производственных условиях, является высоко изменчивой и часто не проявляется при правильном управлении.
Troutlodge рекомендует использовать стерильных лососевых рыб в ситуациях когда выращивание происходит в сроки, захватывающие нерестовый сезон для предотвращения размножения у случайно сбежавших рыб, или при производстве рыбы промыслового размера для водоемов с платной рыбалкой можно использовать как триплоидную, так и однополую (только самки) продукцию. Сочетание этой технологии и генетических усовершенствований, присущих продукции Troutlodge делает эту комбинацию по-настоящему уникальной.
Перевод подготовлен на основе статьи «Triploids in Aquaculture — Genetics» с сайта компании Troutlodge.
История ГМО лосося, который все же попал на рынок / Блог компании RUVDS.com / Хабр
Обычная и доработанная версии семги
Я не перестаю удивляться луддитам нашего времени. Чаще всего это какой-то особенный сплав дремучести, магического мышления и страха перед непонятными вещами, которые делают ученые в лабораториях.
Я думаю, что на Хабре ни у кого нет особых сомнений в опасности таких деятелей, как Сералини, который доказывал канцерогенный эффект от ГМО-кукурузы у крыс. Статью в итоге отозвали по причине обнаруженных грубых методологических ошибок. Поэтому, сегодня мы будем говорить о правильном подходе к ГМО и о том, что уже интересного успели запустить в продакшен. Начнем с лосося и форели. О том, чем отличается дикий вариант от фермерского, как оценивают лососевый цвет, зачем его модифицируют и когда мы увидим на прилавке новую, доработанную версию этой рыбы.
Парадоксы селекции
Казань, 1921 год. Небольшой осетр, весом 1.5 тонны.
Заметили, как начала дорожать рыба? Нет, тут дело не только во всяких экономических проблемах и потрясениях. Проблема в том, что мы слишком много едим. Животный белок — очень важная часть рациона, а выращивать его довольно дорого. Для производства килограмма той же говядины требуется от 3 до 20 кг зерна, которое само по себе пригодно в пищу. Из-за невысокого КПД мы получаем довольно высокие цены на мясо. Курятина намного выгоднее, так как коэффициент конверсии корма составляет порядка 1.6-1.7 кг зерна на килограмм куриной тушки.
Казалось бы, есть более простое решение — готовое мясо в виде рыбы в реках, озерах и морях. К сожалению, мы вылавливаем рыбу гораздо быстрее, чем она успевает размножаться и наращивать массу в естественной экосистеме. В итоге, тот же осетр практически исчез в диком виде, а его икра теперь продается в крохотных баночках, которые торжественно лежат внутри прозрачной витрины-сейфа. При том, что это просто обычная икра, которую многие спокойно ели в детстве.
Есть еще одна проблема — мы занимаемся селекцией диких видов рыбы, но только не в том, направлении, в котором нужно. Если посмотреть на законы РФ и других стран о рыбалке, то можно заметить, что ключевые ограничения касаются общего количества выловленной рыбы и ее минимально допустимых размеров. Запрещено использовать сети с мелкими ячейками, а всю рыбу меньше допустимого размера нужно выпускать обратно. Это совершенно разумно с точки зрения того, что мы сохраняем молодняк для дальнейшего роста и набора массы. Но с точки зрения искусственного отбора мы замечательно выбраковываем наиболее крупных и быстрорастущих особей. При этом взрослые мутанты с карликовостью отлично избегают поимки и дают потомство.
У вас цвет неправильный!
Ферма по разведению лосося
Из-за непрерывного истощения популяции дикого лосося и его родственников стало выгодным организовывать искусственные фермы по разведению рыбы. По сути, рыба живет все в тех же водоемах, но ограничена объемами сетей. Кормится тоже искусственно для максимизации скорости роста. 1.3 миллиона тонн красной рыбы генерирует Норвегия. Это в районе 60% мирового производства. И вот тут уже начинаются проблемы со стороны тех, кому требуется «только натуральное». Дикий лосось поедает огромное количество креветок и других животных, имеющих оранжевую окраску. За счет этого его мясо приобретает характерную красноватую окраску.
Для фермерского лосося приходится дополнительно добавлять в корм астаксантин. Это тот самый каротиноид ярко-красного цвета, который есть в креветках, и который окрашивает фламинго в розовый оттенок. Без него лосось имеет обычный «рыбный» сероватый цвет.
Более того, даже стали выпускать специальные шкалы для оценки работы красителя, чтобы подобрать наиболее привлекательный для потребителя вариант. При этом люди, которые считают, что только «натуральная» дикая рыба самая правильная, пишут километровые гайды о том, как отличить нужное филе по цвету. Хотя астаксантин везде один и тот же по сути.
Вносим патчи
Обычный лосось и AquAdvantage
Когда мы говорим о генетической модификации организмов, мы обычно представляем себе открытия и исследования последнего десятилетия. На самом деле, практические исследования в этой области ведутся уже более 30 лет. В 1989 году был создан лосось «AquAdvantage». Причем модификация довольно минималистичная по нынешним меркам. По сути, подобный эффект могла бы дать потенциальная гибридизация с близкородственным видом. Сейчас расскажу поподробнее.
Конечный размер рыбы и скорость ее роста ограничена. Вы можете взять условного гуппи, завалить его едой, но в голубого марлина он от перекорма не превратится. Скорее наоборот, начнет болеть от перекорма и умрет. Для того, чтобы обойти это ограничение и, одновременно, пройти очень жесткий контроль со стороны FDA, компания AquaBounty Technologies внедрила генетический фрагмент, отвечающий за синтез гормона роста от самого крупного представителя семейства — чавычи в геном атлантического лосося (сёмги). Для этого был внесен дополнительный фрагмент opAFP-GHc2 в гене EO-1ɑ с использованием промотора от другой рыбы — американской бельдюги.
В результате того, что у конечного организма теперь оказалось несколько копий гена, отвечающего за синтез гормона роста, рост рыбы стал непрерывным в течение всего года. При этом обычная, не модифицированная сёмга растет только весной и летом, а в остальные сезоны вес не набирает. Для тестирования стабильности генетической модификации, AquAdvantage скрещивали с дикой семгой в течение четырех поколений. При этом нужный фрагмент оставался неизменным во всех потомках.
Годы тестирования
К сожалению, к генетическим модификациям отношение мягко говоря предвзятое. На получение разрешения для использования модифицированной семги потребовалось больше 30 лет. Протокол исследования включал сравнение с неизмененными разновидностями лосося, в качестве контрольной группы. Исследовали в первую очередь гормоны — эстрадиол, тестостерон, 11-кетотестостерон, Т3, Т4 и инсулино-подобный фактор роста 1 (IGF1). В результате не обнаружили значимых отличий между модифицированными рыбами и дикими разновидностями. Пищевая ценность была также аналогична. Тем не менее, несмотря на
положительнуюрезолюцию FDA еще в 2010 году, проект завернули по инициативе законотворцев. Также появились требования по
маркировкепродукта как трансгенного в обязательном порядке. Кроме этого, ряд исследователей высказал опасение, что такие мощные и крупные варианты сёмги смогут быстро вытеснить исходный вид, полностью захватив кормовую базу.
В итоге, компания-разработчик была вынуждена гарантировать, что выращивание будет проходить только в закрытых бассейнах, где у рыбы нет возможности сбежать в дикую среду. Кроме этого, вся икра, которая будет использоваться для выращивания особей на еду подвергается воздействию высокого давления, что приводит к образованию триплоидов — организмов с тремя наборами хромосом вместо двух. Такие рыбы не в состоянии в дальнейшем размножаться. Если кладка икры содержит более 5% диплоидных особей, то ее уничтожают. Кроме этого на еду выращивают исключительно самок для того, чтобы дополнительно гарантировать, что семга не сможет неконтролируемо размножаться. Самцы содержатся отдельно, вдали от водоемов, чуть ли не в охраняемом бункере, и участвуют только в производстве икры для разведения.
В итоге, в 2018 году все-таки разрешили продажу и употребление этой рыбы в США и Канаде. Что не помешало калифорнийскому суду в ноябре 2020 году инициировать отзыв разрешения по причинам «недостаточно исследованным последствиям для окружающей среды».
Вся эта история крайне печально выглядит со стороны научного сообщества. Да, исследования в области безопасности совершенно необходимы. Но вовсе не в той степени, которая делает нерентабельной и рискованной большую область исследований по модификации организмов. Почему-то никто не проводил длительное тестирование с тем же борщевиком Сосновского, когда его натуральным способом старательно акклиматизировали в непривычных для него зонах и развозили семена по огромной территории.
С декоративными проще
К счастью, если чисто декоративная рыба не будет употребляться в пищу и не сможет выжить в дикой среде, то претензий со стороны регуляторных органов обычно не поступает. Тут можно привести в пример тех же GloFish с иллюстрации. Первоначально это были данио рерио — небольшие полосатые рыбки. В 1999 году в них встроили ген для синтеза GFP — это типовой флюоресцентный белок медузы, который дает зеленое свечение. Случайно на конференции, где демонстрировались фотографии зеленых светящихся рыбок оказался представитель коммерческой компании, которая занималась разведением декоративных видов. В итоге, запустили целую серию с разными флюоресцентными пигментами.
Кто знает, может именно условные декоративные карликовые жирафы размером с собаку смогут пробить заслон ГМО-фобии и ускорить прогресс в этой области.
Выращенные в неволе лососи эпигенетически отличаются от своих диких родственников
В XX веке человечество осознало ущерб, который наносится природным популяциям лососевых из-за неконтролируемого вылова. Появились программы для восстановления численности разных видов атлантического лосося: икринки и мальков выращивают в специальных условиях, а потом выпускают на волю. Несмотря на постоянное совершенствование программ по выращиванию, выведенный в неволе лосось остается менее приспособленным к жизни в океане, чем дикий. В новом исследовании показано, что одна из основных причин сниженной приспособленности выращенного в неволе лосося — это эпигенетические изменения. Искусственные условия на ранних стадиях приводят к снижению активности генов, работа которых необходима для адаптации к океанической воде, правильного функционирования мускулатуры и т. д.
Разведением лососей человечество занимается уже не одну сотню лет, а в последнее время на долю рыбохозяйств приходится около 70% от мирового улова этой рыбы. Еще 40 лет назад таким способом добывали меньше четверти лососевых, при том, что за это время общий улов вырос почти в 4 раза (с 750 тыс. тонн до более чем 3 млн тонн). Выведенными в неволе рыбами также пополняют и природные популяции, которые сильно пострадали в XX веке от массового вылова.
Раньше жизненный цикл искусственно разведенных лососей выглядел примерно так. Икру и молоки для разведения привозили из рек, где нерестятся природные популяции лосося. На заводе икру оплодотворяли, смешивая половые продукты самок и самцов. Затем икру содержали в пресноводных инкубаторах, при постоянном небольшом течении. Примерно через три месяца после оплодотворения вылупляются мальки (свободные зародыши), которые еще несколько недель не питаются и почти не плавают (рис. 2). Они большую часть времени лежат на дне и живут за счет питательных веществ, сохраненных в желточном мешке. Когда запас желтка исчерпывается, малек начинает активную жизнь, держась ближе ко дну и питаясь планктоном. Достигнув длины 4–8 см, мальки переходят на стадию пестрятки. У пестряток характерный пестрый окрас, они активно кормятся в реке червями, моллюсками, насекомыми и донными обрастаниями. Через несколько месяцев или даже пару лет, в зависимости от вида, полосатый окрас исчезает, рыбы достигают 10–15 см и начинают мигрировать к устью реки. Эта стадия называется смолт и длится от нескольких дней до нескольких месяцев. В устье рыба адаптируется к соленой морской воде, у нее увеличивается хвост и чешуйки, окрас становится ярко-серебристым. Этот процесс называют смолтификация, после нее лосось сбивается в косяки и отправляется в морские воды. В океане рыбы проводят 1–5 лет (в зависимости от вида), кормясь другими рыбами, личинками крабов, моллюсками и т. д. Затем они возвращаются в устье родной реки.
У всех лососевых рыб есть поразительная способность c помощью обоняния точно находить ту самую реку, где они вылупились. Лосось, выращенный на рыбоводном заводе, возвращался на этот завод для нереста, где его и вылавливали. В природе лосось против течения поднимается от устья реки к местам нереста, демонстрируя поразительные ловкость и упорство. В это время рыбы перестают питаться, а достигнув пункта назначения, готовятся к нересту: самцы приобретают яркую брачную окраску, а самки выбирают место для гнезда, выкапывают с помощью резких движений хвоста ямку и откладывают в нее созревшую к этому моменту икру. Одновременно с этим самец, стороживший строящую гнездо самку, выпускает молоки. Самка может сделать до трех гнезд. После нереста она охраняет свои гнезда, а самец ищет других строящих гнездо самок. У большинства видов размножение происходит лишь один раз в жизни: и самцы и самки погибают в течение недели после нереста.
Однако пищевая ценность лосося после нереста очень низка, и она падает по мере его продвижения вверх по реке. Поэтому на рыбоводных заводах лососю не давали дойти до половой зрелости и тем более отнереститься. А для продолжения производства снова привозили икру и молоки с естественных мест нереста лосося. Таким образом, рыбоводные заводы по их воздействию на природные популяции мало отличались от обычной ловли. Есть и другие проблемы, вызываемые искусственным разведением лосося; см., например, Аквакультура лососей может привести к исчезновению естественной популяции горбуши, «Элементы», 18.12.2007.
Со временем стало ясно, что вылов рыбы из мирового океана людьми слишком велик и что природные популяции лососевых с годами все сильнее истощаются. Для ряда видов и регионов рыбный промысел запретили, однако этого оказалось недостаточно для восстановления природных популяций. Поэтому многие рыбоводные заводы к концу XX века частично или полностью перешли на выращивание рыб, которым давали отнереститься по возвращении. Благодаря контролю выживаемости наиболее уязвимых ранних стадий развития лосося, на таких заводах до смолтификации доживает гораздо больше рыбы, чем в естественных условиях. Однако от смолтификации и до возвращения лосося на нерест никакого дополнительного контроля нет и выживание рыбы обеспечивается ее приспособленностью к жизни в дикой природе.
Исследования показывают, что в океане искусственно выращенные лососи менее успешны, чем их дикие сородичи: они быстрее устают и хуже спасаются от хищников (C. M. Chittenden et al., 2010. Genetic versus rearing-environment effects on phenotype: hatchery and natural rearing effects on hatchery- and wild-born coho salmon). Сниженная приспособленность выращенных в неволе рыб — серьезная проблема для работ по восстановлению природных популяций лосося.
Среди лосося, который несколько поколений нерестится на рыбоводных заводах, может происходить некий отбор. В качестве побочного эффекта возрастает относительная выживаемость тех мальков, которые лучше приспособлены для условий, созданных в искусственных водоемах и инкубаторах. Кроме того, генетическое разнообразие этих рыб ограниченно теми генами, которые были у рыб-производителей, давших начало искусственной популяции. Поэтому предпринимаются меры по обмену генами между дикими лососями и выращенными в неволе: рыб стали разводить в непосредственной близости от естественных мест нереста, чтобы возвращающиеся на нерест дикие рыбы попадали в искусственные водоемы, а выращенные в неволе рыбы могли бы оставлять потомство на воле. Предполагалось, что такой обмен генами решит описанные выше проблемы. Однако оказалось, что для значительных изменений в экспрессии генов у домашнего лосося по сравнению с диким достаточно всего одного поколения (M. R. Christie, 2012. Genetic adaptation to captivity can occur in a single generation). А это значит, что выращенные в неволе лососи сразу отличаются от диких по приспособленности и дело тут не может быть в одной лишь генетике.
В Канаде было проведено исследование, в котором проверяли гипотезу о том, что выращенный в неволе лосось отличается от дикого не из-за разницы в наборе генов, а из-за различной их регуляции. Дело в том, что гены сами по себе не определяют то, каким будет животное. Во-первых, на развитие организма кроме генов постоянно влияют внешние условия (о соотношении вкладов генов и среды см. Склонность к эмоциональному перееданию или недоеданию не наследуется, «Элементы», 13.09.2017). Во-вторых, по различным причинам имеющийся у организма ген может быть «включен» или «выключен». Как правило, на разных стадиях развития, в разных органах и даже в отдельных клетках наборы работающих генов разные. Экспрессия генов в организме регулируется очень сложно. Помимо разнообразных сигнальных веществ на экспрессию может влиять, например, пространственное расположение ДНК (разные участки могут быть по-разному свернуты, что мешает или наоборот способствует работе расположенных в этих участках генов) или разметка метильными группами, которые, связываясь с регуляторными участками генов, выключают их — иногда временно, а иногда и навсегда. Подобные модификации происходят в течение всей жизни, но особенно активно они идут во время образования гамет и раннего развития (см. Рыбки Danio rerio наследуют модификации ДНК от отца, «Элементы», 21.06.2013). Они меняют работу генов, но не саму ДНК, поэтому в общем их называют эпигенетическими, то есть происходящими «над генами» (см. видео). Эпигенетические изменения могут происходить как под действием продуктов других генов, так и под действием внешнего окружения.
Исследователи проверили уровень метилированности различных участков ДНК у диких и домашних лососей из двух рек Британской Колумбии на стадии смолта. На обеих реках — Капилано (Capilano River) и Квинсам (Quinsam River) происходит естественный нерест лосося-кижуча (Oncorhynchus kisutch). Обе реки имеют небольшие искусственные ответвления для разведения лосося. В обоих случаях рыбоводный завод расположен и оснащен таким образом, чтобы нерестящиеся на заводе рыбы и нерестящиеся в природе рыбы представляли собой единую популяцию. Для начала ученые проверили, действительно ли это так. Анализ генетической изменчивости показал, что выращенные в неволе и в естественных условиях рыбы одной реки являются друг другу родственниками. А между реками уже наблюдаются некоторые значимые генетические различия.
Степень же метилированности ДНК у выращенных в неволе рыб оказалась значительно выше, чем у диких. Это свидетельствует о том, что многие гены, работающие у диких смолтов, не функционируют с той же интенсивностью у домашних.
Среди участков с повышенным метилированием оказалось много связанных с ионным гомеостазом и контролем уровня жидкостей в теле. Сниженная активность этих участков ДНК может объяснить отмеченные ранее осложнения во время смолтификации, то есть приспособления к морской воде, у домашнего лосося (J. M. Shrimpton et al., 1994. Differences in measurements of smolt development between wild and hatchery-reared juvenile coho salmon (Oncorhynchus Kisutch) before and after saltwater exposure).
Избыточное количество метильных групп было обнаружено и в генах, участвующих в формировании контактов между нервами и мышцами. Это в свою очередь ухудшает координацию мышечных движений и может быть причиной отмеченных выше утомляемости и плохого избегания хищников у выращенного в неволе лосося по сравнению с диким.
Помимо того, в значительной степени выключенными оказались некоторые гены, связанные с иммунным ответом и пищевым поведением, а также гены, продукты которых задействованы в регуляции экспрессии множества других участков генома.
Один из наиболее интересных результатов данной работы в том, что изменения степени метилированности были одинаковы на двух участвовавших в исследовании рыбоводных заводах. Избыток метильных групп у домашних смолтов по сравнению с дикими из той же реки наблюдался на одних и тех же участках ДНК. Получается, что именно созданные человеком условия, а не случайные различия, приводят к наблюдаемому негативному эффекту: сниженной приспособленности домашнего лосося в океане. Теперь остается выяснить, какие именно условия рыбоводства следует изменить, чтобы это исправить и в результате улучшить работу программ по восстановлению лосося в природе.
Источник: Jérémy Le Luyer, Martin Laporte, Terry D. Beacham, Karia H. Kaukinen, Ruth E. Withler, Jong S. Leong, Eric B. Rondeau, Ben F. Koop, and Louis Bernatchez. Parallel epigenetic modifications induced by hatchery rearing in a Pacific Salmon // PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1711229114.
Алёна Сухопутова
Присвоение групп сцепления атлантического лосося (Salmo salar) определенным хромосомам: Сохранение больших синтенных блоков, соответствующих целым плечам хромосом у радужной форели (Oncorhynchus mykiss) | BMC Genomic Data
Allendorf FW, Thorgaard GH: Тетраплоидия и эволюция лососевых рыб. 1984, Plenum Publishing Company, Нью-Йорк
Глава Google ученый
Allendorf FW, Danzmann RG: Вторичная тетрасомная сегрегация MDH-B и предпочтительное спаривание гомеологов у радужной форели.Генетика. 1997, 145: 1083-1092.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Грегори Т.Р., Никол Дж.А., Тамм Х., Куллман Б., Кулман К. и др.: База данных о размерах генома эукариот. Nucleic Acids Res. 2007, 35: D332-D338. 10.1093 / нар / gkl828.
PubMed Central CAS Статья PubMed Google ученый
Филлипс Р. Б., Раб П.: Хромосомная эволюция у лососевых (Рыб): обновленная информация.Biol Rev.2001, 76: 1-25. 10.1017 / S1464793100005613.
CAS Статья PubMed Google ученый
Манк JE, Avise JC: Филогенетическая консервация числа хромосом у актиноптеригийских рыб. Genetica. 2006, 127: 321-327. 10.1007 / s10709-005-5248-0.
Артикул PubMed Google ученый
King TL, Verspoor E, Spidle AP, Gross R, Phillips RB, et al: Biodiversity and Population Structure.Атлантический лосось: генетика, сохранение и управление. Под редакцией: Verspoor E, Stradmeyer L, Nielsen JL. 2007, Blackwell Publishing, Глава 5:
Google ученый
Pendas AM, Moran P, Freije JP, Garcia-Vazquez E: Хромосомное картирование и нуклеотидная последовательность двух тандемных повторов 5S рДНК атлантического лосося. Cytogenet. Cell Genet. 1994, 67: 31-36. 10.1159 / 000133792.
CAS Статья Google ученый
Gilbey J, Verspoor E, McLay A, Houlihan D: Карта связи микроспутников для атлантического лосося (Salmo salar). Anim Genet. 2004, 35: 98-105. 10.1111 / j.1365-2052.2004.01091.x.
CAS Статья PubMed Google ученый
Moen T, Hoyheim B, Munck H, Gomez-Rava L: Карта сцепления атлантического лосося ( Salmo salar ) показывает необычно большую разницу в скорости рекомбинации между полами. Animal Genet.2004, 35: 81-92. 10.1111 / j.1365-2052.2004.01097.x.
CAS Статья PubMed Google ученый
Моен Т., Хейс Б., Барански М.П., Берг П.Р., Кьоглум С. и др.: Карта сцепления атлантического лосося (Salmo salar) на основе маркеров SNP, полученных из EST. BMC Genomics. 2008, 9: 223-10.1186 / 1471-2164-9-223.
PubMed Central Статья PubMed Google ученый
Данцманн Р.Г., Дэвидсон Э.А., Фергюсон М.М., Гарби К., Куп Б.Ф. и др.: Распределение предковых протоактиноптериских хромосомных плеч в геномах 4R-производных лососевых рыб (радужная форель и атлантический лосось). BMC Genomics. 2008, 9: 557-10.1186 / 1471-2164-9-557.
PubMed Central Статья PubMed Google ученый
Ng SHS, Artieri CG, Bosdet IE, Chiu R, Danzmann RG, et al: Физическая карта генома атлантического лосося (Salmo salar).Геномика. 2005, 86: 396-404. 10.1016 / j.ygeno.2005.06.001.
CAS Статья PubMed Google ученый
Торсен Дж., Чжу Б., Френген Э., Осегава К., де Йонг П.Дж. и др.: Сильно избыточная библиотека ВАС атлантического лосося (Salmo salar): важный инструмент для проектов по лососю. BMC Genomics. 2005, 6: 50-10.1186 / 1471-2164-6-50.
PubMed Central Статья PubMed Google ученый
Artieri CG, Ng S, Mitchell L, Danzmann RG, Phillips RB, et al: Идентификация локуса определения пола атлантического лосося ( Salmo salar) на хромосоме 2. Cytogenet Genome Res. 2006, 112: 152-9. 10.1159 / 000087528.
CAS Статья PubMed Google ученый
Филлипс Р. Б., Николс К. М., Деконинг Дж. Х., Мораш М. Р., Китли К. А. и др.: Привязка групп сцепления радужной форели к определенным хромосомам.Генетика. 2006, 174: 1661-1670. 10.1534 / genetics.105.055269.
PubMed Central CAS Статья PubMed Google ученый
Накатани Й., Такеда Х., Кохара Й., Моришита С. Реконструкция генома предков позвоночных обнаруживает динамическую реорганизацию генома у ранних позвоночных. Genome Res. 2007, 17: 1254-1265. 10.1101 / гр.6316407.
PubMed Central CAS Статья PubMed Google ученый
Kasahara M, Naruse K, Sasaki S, Nakatani Y, Qu W, et al: Проект генома медаки и понимание эволюции генома позвоночных. Природа. 2007, 447: 714-719. 10.1038 / природа05846.
CAS Статья PubMed Google ученый
Данцманн Р.Г., Кэрни М., Дэвидсон В.С., Фергюсон М.М., Гарби К. и др.: Сравнительный анализ генома радужной форели с двумя другими видами рыб (арктический гольц и атлантический лосось) в тетраплоидных производных Salmonidae семейство (подсемейство: Salmoninae).Геном. 2005, 48: 1037-1051. 10.1139 / g05-067.
CAS Статья PubMed Google ученый
Ворам Р.А., Гарби К., Сакамото Т., Хойхейм Б., Холм Л.-Э. и др.: Сравнительный анализ генома основного локуса, определяющего пол, у лососевых рыб. Genome Res. 2003, 13: 272-280. 10.1101 / гр 578503.
PubMed Central CAS Статья PubMed Google ученый
Danzmann RG: LINKMFEX: Пакет анализа связей для ауткроссированных семей с мужским или женским обменом родительского картирования, вер. 2.3. 2006 г., [http://www.uoguelph.ca/~rdanzman/software/LINKMFEX/]
Google ученый
Рид К.М., Филлипс РБ: Молекулярная характеристика и цитогенетический анализ ДНК с высокой повторяемостью озерной форели Salvelinus namaycush. Хромосома. 1995, 104: 242-251. 10.1007 / BF00352255.
CAS Статья PubMed Google ученый
Rexroad CE, Palti Y, Gahr SA, Vallejo RL: генетическая карта второго поколения радужной форели. BMC Genetics. 2008, 19: 4-
Google ученый
Guyomard R, Mauger S, Tabet-Canale K, Martineau S, Genet C, et al: Карта микросателлитных связей типа I и типа II радужной форели ( Oncorhynchus mykiss) с предполагаемым охватом всех хромосом руки. BMC Genomics. 2006, 7: 202-10.1186 / 1471-2164-7-302.
Артикул Google ученый
Николс К.М., Янг В.П., Данцманн Р.Г., Робисон Б.Д., Rexroad CE и др.: Сводная карта связей радужной форели (Oncorhynchus mykiss). Animal Genet. 2003, 34: 102-15. 10.1046 / j.1365-2052.2003.00957.x.
CAS Статья PubMed Google ученый
Thorgaard GH: Хромосомные различия между популяциями радужной форели. Копея. 1983, 3: 650-662. 10.2307 / 1444329.
Артикул Google ученый
Филлипс Р. Б., Мораш М., Уилер П., Торгаард Г. Х .: Радужная форель из Айдахо и Аляски (2n = 58) разделяет слияние хромосом по сравнению с форелью калифорнийского происхождения (2n = 60). Копея. 2005, 3: 661-664. 10.1643 / CG-04-252R1.
Артикул Google ученый
Митчелл Л.А.: Судьба дублированных областей генома атлантического лосося (Salmo salar). Магистерская диссертация. 2004 г., кафедра Мол биол и биохимия, Университет Саймона Фрейзера
Google ученый
Ядзава Р., Купер Г.А., Хант П., Битц-Сарджент М., Робб А. и др.: Поразительное разнообразие распознавания антигенов в локусе альфа / дельта рецептора Т-клеток атлантического лосося. Dev Comp Immunol. 2008, 32: 204-212. 10.1016 / j.dci.2007.05.002.
CAS Статья PubMed Google ученый
Лукач М.Ф., Харстад Х., Гримхольт У., Битц-Сарджент М., Купер Г.А. и др.: Геномная организация дублированных регионов класса I главного комплекса гистосовместимости у атлантического лосося (Salmo salar).BMC Genomics. 2007, 8: 251-10.1186 / 1471-2164-8-251.
PubMed Central Статья PubMed Google ученый
Джонстон К.А., Любенецки К.П., Чоу В., Филлипс Р.Б., Куп Б.Ф. и др.: Геномная организация и характеристика двух вомероназальных 1-подобных рецепторов генов (ora1 и ora2) в саларе атлантического лосося. Морская геномика. 2008, 1: 23-31. 10.1016 / j.margen.2008.04.003.
Артикул PubMed Google ученый
Johnstone KA, Ciborowski KL, Lubieniecki KP, Chow W, Phillips RB, et al: Геномная организация и эволюция вомероназальных рецептороподобных кластеров типа 2 ( OlfC ) у атлантического лосося, Salmo salar. Mol Biol Evol. 2009, 26: 1117-1125. 10.1093 / молбев / msp027.
PubMed Central CAS Статья PubMed Google ученый
Куинн Н.Л., Левенкова Н., Чоу В., Буффард П., Бороевич К.А. и др.: Оценка возможности применения пиросеквенирования GS FLX для секвенирования генома атлантического лосося.BMC Genomics. 2008, 9: 404-10.1186 / 1471-2164-9-404.
PubMed Central Статья PubMed Google ученый
Харстад Х., Лукач М.Ф., Бакке Х.Г., Гримхольт У. и др.: Множественные экспрессированные локусы класса II МНС у лососевых; детали одного неклассического региона атлантического лосося (Salmo salar). BMC Genomics. 2008, 9: 193-10.1186 / 1471-2164-9-193.
PubMed Central Статья PubMed Google ученый
Геном атлантического лосося дает представление о редиплоидизации
Nelson, J.С. Рыбы мира (John Wiley & Sons, 2006)
Smith, J. J. et al. Секвенирование генома морской миноги ( Petromyzon marinus ) дает представление об эволюции позвоночных. Nature Genet. 45 , 415–421 (2013)
CAS PubMed Статья Google ученый
Jaillon, O. et al. Дупликация генома костистых рыб Tetraodon nigroviridis выявляет ранний прокариотип позвоночных. Nature 431 , 946–957 (2004)
PubMed Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Kasahara, M. et al. Проект генома medaka и анализ эволюции генома позвоночных. Nature 447 , 714–719 (2007)
CAS PubMed Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Накатани Ю., Такеда Х., Кохара Ю.& Моришита, С. Реконструкция генома предков позвоночных обнаруживает динамическую реорганизацию генома у ранних позвоночных. Genome Res. 17 , 1254–1265 (2007)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Аллендорф, Ф. В. и Торгаард, Г. Х. в книге «Эволюционная генетика рыб », (ред. Тернер, Б. Дж.) 1–53 (Plenum Press, 1984)
Near, T.J. et al. Разрешение филогенеза лучеплавниковых рыб и сроки диверсификации. Proc. Natl Acad. Sci. США 109 , 13698–13703 (2012)
CAS PubMed Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Маккуин, Д. Дж. И Джонстон, И. А. Оценка с хорошими ограничениями для сроков дупликации всего генома лососевых выявляет серьезную развязку от видового разнообразия. Proc. R. Soc. В 281 , 20132881 (2014)
PubMed Статья Google ученый
Райт, Дж.Э., Джонсон, К., Холлистер, А. и Мэй, Б. Мейотические модели для объяснения классического сцепления, псевдосвязи и спаривания хромосом в геномах тетраплоидных производных лососевых. Изоферменты Curr. Верхний. Биол. Med. Res. 10 , 239–260 (1983)
PubMed Google ученый
Lien, S. et al. Плотная карта сцепления на основе SNP для атлантического лосося ( Salmo salar ) показывает расширенную гомеологию хромосом и разительные различия в паттернах рекомбинации, специфичных для пола. BMC Genomics 12 , 615 (2011)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Davidson, W. S. et al. Секвенирование генома атлантического лосося ( Salmo salar ). Genome Biol. 11 , 403 (2010)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Мэйфилд-Джонс, Д.и другие. Наблюдение за исчезновением усмешки: отслеживание эффектов полиплоидии на различных временных масштабах эволюции. Семин. Cell Dev. Биол. 24 , 320–331 (2013)
PubMed Статья PubMed Central Google ученый
Berthelot, C. et al. Геном радужной форели позволяет по-новому взглянуть на эволюцию после дупликации всего генома у позвоночных. Nat. Commun. 5 , 3657 (2014)
PubMed PubMed Central Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Глазауэр, С.М. К. и Нойхаусс, С. Ф. Дупликация всего генома костистых рыб и ее эволюционные последствия. Мол. Genet. Геномика 289 , 1045–1060 (2014)
CAS PubMed Статья Google ученый
Шнабл, Дж. К., Педерсен, Б. С., Субраманиам, С. и Фрилинг, М. Дозозависимость, консервативные некодирующие последовательности и сохранение дублированных генов за счет множественных тетраплоидий в травах. Фронт. Plant Sci. 2 , 2 (2011)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Харди Д. К. и Хеберт П. Д. Нуклеотипические эффекты содержания клеточной ДНК у хрящевых рыб и рыб с лучевыми плавниками. Геном 46 , 683–706 (2003)
CAS PubMed Статья Google ученый
Маккласки, Б.М. и Постлетвейт, Дж. Х. Филогения рыбок данио, «модельного вида», в пределах Danio , «модельного рода». Мол. Биол. Evol. 32 , 635–652 (2015)
CAS PubMed Статья Google ученый
Daron, J. et al. Организация и эволюция мобильных элементов вдоль хромосомы мягкой пшеницы 3B. Genome Biol. 15 , 546 (2014)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Вендел, Дж.F. Эволюция генома полиплоидов. Завод Мол. Биол. 42 , 225–249 (2000)
CAS PubMed Статья Google ученый
Gerstein, A.C., Chun, H.-J. Э., Грант А. и Отто С. П. Геномная конвергенция к диплоидии в Saccharomyces cerevisiae . PLoS Genet. 2 , e145 (2006)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Аллендорф, Ф.W. et al. Влияние кроссоверов между гомеологами на наследование и популяционную геномику у лососевых рыб полиплоидного происхождения. J. Hered. 106 , 217–227 (2015)
CAS PubMed Статья Google ученый
Kodama, M., Brieuc, MSO, Devlin, RH, Hard, JJ & Naish, KA Сравнительное картирование кижуча ( Oncorhynchus kisutch ) и трех других лососевых позволяет предположить роль хромосомных перестроек в сохранении дублированные области после события дублирования всего генома. G3 Genes Genomes Genetics 4 , 1717–1730 (2014)
PubMed PubMed Central Google ученый
Rondeau, E. B. et al. Геном и карта сцепления северной щуки ( Esox lucius ): выявлена консервативная синтения между сестринской группой лососевых и неотелеостей. PLoS ONE 9 , e102089 (2014)
PubMed PubMed Central Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google ученый
Слоткин, Р.K. & Martienssen, R. Мобильные элементы и эпигенетическая регуляция генома. Nature Rev. Genet. 8 , 272–285 (2007)
CAS PubMed Статья Google ученый
Guillén, Y. & Ruiz, A. Генные изменения на контрольных точках инверсии Drosophila предоставляют prima facie доказательства естественного отбора как объяснения быстрой хромосомной эволюции. BMC Genomics 13 , 53 (2012)
PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Лангхэм, Р.J. et al. Дупликация генома, фракционирование и происхождение регуляторной новизны. Генетика 166 , 935–945 (2004)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Cunningham, F. et al. Ensembl 2015. Nucleic Acids Res . 43 , D662 – D669 (2015)
CAS PubMed Статья Google ученый
Брааш, И.& Postlethwait, JH in Polyploidy and Genome Evolution (eds Soltis, PS & Soltis, DE) Полиплоидия у рыб и дупликация генома костистых тел (Springer, 2012)
Sato, Y., Hashiguchi, Y. & Nishida , М. Временной паттерн потери / сохранения повторяющихся генов, участвующих в передаче сигналов и метаболических путях после костисто-специфической дупликации генома. BMC Evol. Биол. 9 , 127 (2009)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Усилие, А.и другие. Сохранение повторяющихся генов за счет дополнительных дегенеративных мутаций. Генетика 151 , 1531–1545 (1999)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Конант, Г. К. и Вулф, К. Х. Превращение хобби в работу: как дублированные гены находят новые функции. Nature Rev. Genet. 9 , 938–950 (2008)
CAS PubMed Статья Google ученый
Хьюз, Т., Экман, Д., Ардаватия, Х., Элофссон, А. и Либерлес, Д. А. Оценка дозовой компенсации как причины удержания дублированных генов в Paramecium tetraurelia . Genome Biol. 8 , 213 (2007)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
He, X. & Zhang, J. Быстрая субфункционализация, сопровождающаяся длительной и существенной неофункционализацией при эволюции дублирующих генов. Генетика 169 , 1157–1164 (2005)
PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Rastogi, S. & Liberles, D. A. Субфункциональность дублированных генов как переходное состояние к неофункционализации. BMC Evol. Биол. 5 , 28 (2005)
Google ученый
Филлипс, Р. Б. и др. Присвоение групп сцепления атлантического лосося ( Salmo salar ) определенным хромосомам: сохранение больших синтенных блоков, соответствующих целым плечам хромосом у радужной форели ( Oncorhynchus mykiss ).BMC Genet. 10 , 46 (2009)
Манк, Дж. Э. и Авис, Дж. К. Филогенетическая консервация числа хромосом у рыб-актиноптеригий. Genetica 127 , 321–327 (2006)
PubMed Статья Google ученый
Зимин А.В. и др. Сборщик генома MaSuRCA. Биоинформатика 29 , 2669–2677 (2013)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Зеленый, П., Falls, K. & Crooks, S. Документация для CRI-MAP версии 2.4 . (Медицинская школа Вашингтонского университета, 1990 г.)
Leong, J. S. et al. Полноразмерные последовательности кДНК Salmo salar и Esox lucius показывают изменения в эволюционном давлении на геном после тетраплоидизации. BMC Genomics 11 , 279 (2010)
PubMed Статья Google ученый
Аджубей, А.A. et al. Аннотированные метки выраженной последовательности (EST) атлантического лосося до смолта ( Salmo salar ) в доступном для поиска ресурсе данных. BMC Genomics 8 , 209 (2007)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Куп, Б. Ф. и др. Геномное исследование EST лосося: гены, дупликации, филогения и микроматрицы. BMC Genomics 9 , 545 (2008)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Болджер, А.М., Лозе, М. и Усадель, Б. Trimmomatic: гибкий триммер для данных последовательности Illumina. Биоинформатика 30 , 2114–2120 (2014)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Добин А. и др. STAR: сверхбыстрый универсальный выравниватель RNA-seq. Биоинформатика 29 , 15–21 (2013)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Ву, Т.Д. и Наку, С. Быстрое и устойчивое к SNP обнаружение сложных вариантов и сплайсинг при коротких чтениях. Биоинформатика 26 , 873–881 (2010)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Trapnell, C. et al. Анализ дифференциальной экспрессии генов и транскриптов в экспериментах с последовательностью РНК с TopHat и Cufflinks. Протоколы природы 7 , 562–578 (2012)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Хаас, Б.J. et al. De novo Реконструкция последовательности транскрипта из RNA-seq: создание эталонов и анализ с помощью Trinity. Природные протоколы 8 , 1494–1512 (2013)
CAS PubMed Статья Google ученый
Conesa, A. et al. Blast2GO: универсальный инструмент для аннотации, визуализации и анализа в исследованиях функциональной геномики. Биоинформатика 21 , 3674–3676 (2005)
CAS PubMed Статья Google ученый
Гремм, Г., Брендель, В., Спаркс, М. Э. и Курц, С. Разработка программного инструмента для предсказания генной структуры высших организмов. Инф. Софтв. Технол . 47 , 965–978 (2005)
Артикул Google ученый
Jurka, J. et al. Repbase Update, база данных повторяющихся эукариотических элементов. Cytogenet. Genome Res. 110 , 462–467 (2005)
CAS PubMed Статья Google ученый
Матвеев В.& Окада, Н. Ретропозоны лососевых рыб (Actinopterygii: Salmonoidei) и их эволюция. Ген 434 , 16–28 (2009)
CAS PubMed Статья Google ученый
Ellinghaus, D., Kurtz, S. & Willhoeft, U. LTRharvest, эффективное и гибкое программное обеспечение для de novo обнаружения ретротранспозонов LTR. BMC Bioinformatics 9 , 18 (2008)
PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый
Смит, А.Ф. А. и Хабли Р. RepeatModeler Open-1.0 . http://www.repeatmasker.org (2008)
Flutre, T., Duprat, E., Feuillet, C. & Quesneville, H. Рассмотрение диверсификации транспонированных элементов в подходах к аннотации de novo . PLoS ONE 6 , e16526 (2011)
CAS PubMed PubMed Central Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Камачо, К.и другие. BLAST +: архитектура и приложения. BMC Биоинформатика 10 , 421 (2009)
PubMed Google ученый
Цзян, Н. Конструирование повторной библиотеки — Расширенный http://www.webcitation.org/6YWzgLCzw (2013)
Wicker, T. et al. Единая система классификации эукариотических мобильных элементов. Nature Rev. Genet. 8 , 973–982 (2007)
CAS PubMed Статья Google ученый
Консорциум UniProt.UniProt: центр информации о белках. Nucleic Acids Res. 43 , D204 – D212 (2015)
Эдгар Р.С. МЫШЦЫ: множественное выравнивание последовательностей с высокой точностью и высокой пропускной способностью. Nucleic Acids Res. 32 , 1792–1797 (2004)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Пейс, Дж. К., Гилберт, К., Кларк, М. С. и Фешотт, К.Повторный горизонтальный перенос транспозона ДНК у млекопитающих и других четвероногих. Proc. Natl Acad. Sci. США 105 , 17023–17028 (2008)
CAS PubMed Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Харрис Р. С. Улучшенное парное выравнивание геномной ДНК. (ProQuest, 2007)
Krzywinski, M. et al. Circos: эстетика информации для сравнительной геномики. Genome Res. 19 , 1639–1645 (2009)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Като, К. и Стэндли, Д. М. Программное обеспечение для множественного выравнивания последовательностей MAFFT, версия 7: улучшения производительности и удобства использования. Мол. Биол. Evol. 30 , 772–780 (2013)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Шлип, К.P. phangorn: филогенетический анализ в R. Bioinformatics 27 , 592–593 (2011)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Паради, Э., Клод, Дж. И Стриммер, К. APE: анализ филогенетики и эволюции на языке R. Bioinformatics (2004)
Янг, З. PAML 4: филогенетический анализ методом максимального правдоподобия. Мол. Биол.Evol. 24 , 1586–1591 (2007)
CAS Статья Google ученый
Драммонд, А. Дж., Сушард, М. А., Се, Д. и Рамбо, А. Байесовская филогенетика с BEAUti и ЗВЕРЬОМ 1.7. Мол. Биол. Evol. 29 , 1969–1973 (2012)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Основная группа разработчиков R. R: язык и среда для статистических вычислений . https://www.r-project.org/ (Фонд R для статистических вычислений, 2009 г.)
Guindon, S. et al. Новые алгоритмы и методы для оценки филогении максимального правдоподобия: оценка производительности PhyML 3.0. Syst. Биол. 59 , 307–321 (2010)
CAS PubMed Статья Google ученый
Берглунд-Зоннхаммер, А.-C., Steffansson, P., Betts, M. J. & Liberles, D. A. Оптимальные деревья генов из последовательностей и деревьев видов с использованием мягкой интерпретации экономичности. J. Mol. Evol. 63 , 240–250 (2006)
CAS PubMed Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Jensen, L. J. et al. СТРОКА 8 — глобальный взгляд на белки и их функциональные взаимодействия у 630 организмов. Nucleic Acids Res. 37 , D412 – D416 (2009)
CAS PubMed Статья Google ученый
Агрести, А. Категориальный анализ данных (John Wiley & Sons, 2002)
Смит, А. Ф. А., Хабли, Р. и Грин, П. RepeatMasker Open-4.0 . http://www.repeatmasker.org (2013)
Альтшул, С. Ф., Гиш, В., Миллер, В., Майерс, Э. У. и Липман, Д. Дж. Базовый инструмент поиска локального совмещения. J. Mol. Биол. 215 , 403–410 (1990)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Растас, П., Paulin, L., Hanski, I., Lehtonen, R. & Auvinen, P. Lep-MAP: быстрое и точное построение карты связей для больших наборов данных SNP. Биоинформатика 29 , 3128–3134 (2013)
CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый
Хромосомные полиморфизмы отслеживают трансатлантическую дивергенцию, смешение и адаптивную эволюцию лосося
Abstract
Плейстоценовые оледенения вызвали повторяющиеся сокращения и расширения ареалов, формирующие современное внутривидовое разнообразие.Атлантический лосось ( Salmo salar ) из западной и восточной части Атлантического ареала разошелся на> 600K YBP, причем каждая клада была изолирована в независимых южных рефугиумах во время ледниковых максимумов, что привело к трансатлантическим геномным и кариотипическим различиям. Здесь мы исследуем геномные последствия ледниковой изоляции и трансатлантического вторичного контакта с использованием массива 220K однонуклеотидного полиморфизма (SNP), генотипированного в 80 североамериканских и европейских популяциях. По всей Северной Америке мы идентифицировали большие межиндивидуальные вариации и дискретные блоки сцепления внутри и между хромосомами с известными перестройками: транслокация Ssa01 / Ssa23 и слияние Ssa08 / Ssa29.Пространственно-генетический анализ предполагает независимость реаранжировок, при этом Ssa01 / Ssa23 показывает высокую европейскую интрогрессию (> 50%) в северных популяциях, что свидетельствует о постледниковом трансатлантическом вторичном контакте, в отличие от низкого европейского происхождения по всему геному (3%). Ssa08 / Ssa29 показал большее внутрипопуляционное разнообразие, что свидетельствует о производном полиморфизме слияния хромосом в Северной Америке. Свидетельства отбора в обоих регионах предполагают адаптивную изменчивость, связанную с кариотипами. Наше исследование подчеркивает, как плейстоценовые оледенения могут приводить к крупномасштабным внутривидовым изменениям в геномной архитектуре северных видов.
Введение
Плейстоценовые оледенения привели к глобальным климатическим сдвигам, вызвавшим повторяющиеся периоды изоляции и расширения ареала, которые сформировали современное биоразнообразие в Северной Америке и Европе (1, 2). Ледники покрывали большую часть северных регионов, ограничивая передвижение и связь между видами и вынуждая популяции в ледниковые убежища на длительные периоды изоляции (~ 100 000 лет) (1–3). Когда ледяные щиты отступали после ледниковых максимумов, колонизация новых доступных местообитаний позволила вторичный контакт между аллопатрическими линиями из разных рефугиумов (1, 3, 4).Вторичный контакт между дивергентными клонами может иметь значительные эволюционные последствия (5–10), и генетическое наследие этих событий постледникового смешения и расширения ареала присутствует в современных геномах многих северных видов (1, 3, 11–13).
Атлантический лосось ( Salmo salar ) — проходной вид, имеющий значительную экологическую, социальную и экономическую ценность во всем своем ареале (14). Популяции атлантического лосося охватывают обе стороны северной части Атлантического океана, где популяции сильно структурированы в различных пространственных масштабах, причем наиболее глубокое разделение происходит между континентами (15, 16).Считается, что лосось в западной и восточной Атлантике разошелся более чем на 600 тыс. Лет назад (16–18). Эти клады занимали разные рефугиумы во время ледниковых максимумов, накапливая множество генетических различий, включая различия в количестве и структуре хромосом (19), что приводит к генетической несовместимости (20). Тем не менее, несмотря на длительные периоды изоляции, генетические данные свидетельствуют о трансатлантическом вторичном контакте в Европе и Северной Америке ближе к концу последнего ледникового максимума (~ 10K YBP), когда ледники отступили и лосось вновь заселил большую часть своего современного ареала (16, 18). , 21–23).Полная степень трансатлантического вторичного контакта на большей части ареала остается в значительной степени неизвестной; однако в Северной Америке «европейские» митохондриальные гаплотипы были зарегистрированы в Ньюфаундленде, Квебеке и Лабрадоре (16, 17, 24), и данные по всему геному предполагают, что признаки вторичного контакта не ограничиваются митохондриальным геномом (18, 21). ).
Геномные последствия этих событий вторичного контакта могут зависеть от геномной архитектуры, где различия в хромосомной структуре ( i.е. , инверсии и / или транслокации) могут действовать как постзиготические барьеры для потока генов (25), приводя к гетерогенной геномной интрогрессии (26, 27). Однако добавка может также ввести новые хромосомные варианты, уже сформированные путем отбора (6, 25), такие как инверсии у личинки яблони ( Rhagoletis pomonella ) (9) или перестройки Робертсона у домовой мыши ( Mus musculus domesticus ) ( 28, 29), что может способствовать адаптивной дивергенции, расширению диапазона и, в конечном итоге, видообразованию (8, 30, 31).Ограниченные данные о кариотипе предполагают, что у североамериканского атлантического лосося структурные перестройки уменьшили количество пар хромосом с 29 до 27, включая слияния двух хромосом (Ssa08 / Ssa29 и Ssa26 / Ssa28) и одну транслокацию с делением (Ssa01p / Ssa23 и Ssa01q). ), хотя сообщалось о гетерогенности этих перегруппировок (19). Мы предполагаем, что области генома, связанные с перестройками, могут нести доказательства трансатлантических вторичных контактов, поскольку эти области должны характеризоваться сниженной рекомбинацией у лиц с гетерокариотипом, позволяющей сигнатурам контакта сохраняться с течением времени.
Чтобы изучить, как плейстоценовое оледенение сформировало современный геном атлантического лосося, мы используем однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) высокой плотности для всего генома, чтобы идентифицировать большие хромосомные области, отражающие сигналы исторического трансатлантического вторичного контакта у атлантического лосося Северной Америки. Наше исследование подчеркивает, как периоды ледниковой изоляции, вторичного контакта и геномной архитектуры способствуют гетерогенной геномной интрогрессии, которая стимулирует внутривидовое разнообразие.
Результаты
Обнаружение индивидуальных различий в геномной архитектуре
Атлантический лосось (n = 1459) из 80 популяций, охватывающих Норвегию и Канаду (рис.1AB; Таблица S1) были генотипированы с использованием 220 000 целевых биаллельных массивов SNP Affymetrix Axiom, разработанных для атлантического лосося. Чтобы исследовать индивидуальные различия в геномной архитектуре в нескольких пространственных масштабах, мы использовали пакет R pcadapt (32), который обнаруживает кандидатные геномные области дифференциации с помощью анализа главных компонентов (ПК) с большими наборами данных, которые могут содержать смешанные индивидуумы и иерархическую популяцию. состав. В Северной Америке генетическая изменчивость разделила популяции по географическим регионам вдоль первых двух осей ПК (рис.1C), в то время как увеличивающееся количество протестированных осей ПК (K = от 25 до 50; см. Приложение к рис. S1, S2) выявило большие геномные области (> 5 Mbp), связанные с индивидуальными вариациями на четырех хромосомах (на основе европейского генома) с известные структурные перестройки атлантического лосося (19) (рис. 1D; таблица S2). Мы рассматриваем эти четыре области генома (Ssa01, Ssa08, Ssa23 и Ssa29) как «блоки-выбросы», поскольку каждый из них содержал не менее 200 SNP, которые были статистическими выбросами (скорректированное значение p [ q -value] <0.05) (Таблица S2).
Рис. 1. Участки отбора проб атлантического лосося ( S. salar ) в северной части Атлантического океана и выявление индивидуальных различий в геномной архитектуре в пределах Северной Америки.Карты участков отбора проб в (A) Канаде и (B) Норвегии с участками, раскрашенными по географическому региону. (C) Структура населения на региональном уровне среди населения Канады на основе первых двух основных компонентов (PC) осей из pcadapt (32) с использованием 104 119 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP). (D) Манхэттенский график скорректированных значений p ( q -значений), показывающий области генома со значительными межиндивидуальными вариациями на основе сохранения 40 осей ПК в pcadapt .
Неравновесие по сцеплению блоков с выбросами
На тепловой карте неравновесия по сцеплению (LD) между всеми SNP с выбросами ( q -значение <0,05) из Ssa01, Ssa08, Ssa23 и Ssa29 выявлены области с высоким LD, согласующиеся с известными трансатлантическими перестройки, включая высокую LD внутри и между хромосомами с транслокацией (Ssa01 и Ssa23) и хромосомами со слиянием (Ssa08 и Ssa29) в Северной Америке (рис.2А). Эти регионы с высоким LD присутствовали только в Канаде, но не в Норвегии (рис. 2A). Используя все SNP (MAF> 0,05) из этих пар хромосом для канадских популяций, мы идентифицировали область высокой LD между SNP Ssa01 и Ssa23 (рис. 2B), а другую — между SNP Ssa08 и Ssa29 (рис. 2C). Эти области были дополнительно исследованы в каждой хромосоме, где области с высокой LD (измеренной как средняя попарная LD) обычно соответствовали блокам с выбросами, идентифицированным в pcadapt (рис. 3 и таблица S2), а высокая LD не присутствовала в Норвегии.Учитывая высокую LD между блоками из разных хромосом, выпадающие SNP были объединены и проанализированы вместе (Ssa01 / Ssa23 и Ssa08 / Ssa29) для оставшихся анализов.
Рис. 2. Нарушение равновесия по сцеплению (LD) между выбросами из хромосом с известными перестройками у атлантического лосося ( S. salar ).(A) Тепловая карта попарного LD, рассчитанного как R 2 для локусов выбросов, связанных с индивидуальной вариабельностью по четырем хромосомам (Ssa01, 08, 23 и 29) в популяциях Канады с использованием pcadapt (32).Хромосомы обозначены серыми и синими полосами по краям графика. Нижняя матрица представляет попарную LD для всех канадских выборок, а верхняя матрица представляет попарную LD для всех норвежских выборок. (B, C) Тепловые карты парных LD между хромосомами в канадских образцах, где (B) представляет все локусы (отфильтрованные для частоты минорных аллелей> 0,05) на Ssa01 и Ssa23 и (C) на Ssa08 и Ssa29. Обратите внимание, что тепловые карты в (B) и (C) не масштабируются относительно друг друга.
Рис. 3. Среднее неравновесие парных сцеплений (LD) между известными перестроенными хромосомами в норвежском (красный) и канадский (синий) атлантических лососях ( S. salar ).Среднее значение LD рассчитывали для каждого локуса как среднее попарное R 2 по всем локусам (с частотой минорных аллелей> 0,05 в Канаде) на хромосоме. Панели представляют (A) Ssa01, (B) Ssa08, (C) Ssa23 и (D) Ssa29. Позиции основаны на геноме европейского атлантического лосося, а пунктирные линии представляют области блоков с выбросами, обнаруженные в pcadapt .
Популяционная и индивидуальная генетическая структура блоков выбросов
Байесовская кластеризация для обоих наборов данных с выбросами была выполнена в STRUCTURE (33). Используя статистику ΔK (34), оптимальное количество генетических кластеров было определено как K = 2 для обоих наборов данных (см. Рис. S3; обратите внимание на некоторую поддержку K = 3 для набора данных Ssa08 / Ssa29, см. Ниже), и норвежские сайты были почти полностью состояли из одного кластера (европейский кластер), но канадские сайты различались по своей доле членства в двух кластерах (европейском и североамериканском) (рис.4). Для Ssa01 / Ssa23 доля членства в европейском кластере увеличивалась с увеличением широты в Канаде, в то время как многие южные участки были зафиксированы для североамериканского генетического кластера (рис. 4AB). Популяции в Лабрадоре, в основном в пределах системы озера Мелвилл (3 069 км 2 морского залива), показали большую долю принадлежности к европейскому кластеру, чем другие участки (рис. 4AB). Паттерны кластеризации для Ssa08 / Ssa29 и Ssa01 / Ssa23 не согласовывались между популяциями Канады (рис.4CD). Для Ssa08 / Ssa29 все популяции в Канаде были отнесены к европейскому и североамериканскому кластерам, при этом североамериканский генетический кластер не достиг фиксации ни в одной популяции (рис. 4C). Однако для Ssa08 / Ssa29 была также некоторая поддержка K = 3, который отделял Европу от Северной Америки, предполагая наличие двух генетических групп в Северной Америке и отдельного кластера в Европе (см. Рис. S3 и S4). Используя обобщенные линейные модели, частоты популяционных аллелей по широте были исследованы в пределах блоков выбросов, и большее количество SNP из блоков Ssa01 / Ssa23 продемонстрировало широтные клины (рис.S5A), тогда как SNP из Ssa08 / Ssa29 (рис. S5B) были более вариабельными по широте.
Рис. 4. Байесовская кластеризация блоков геномных выбросов в популяциях атлантического лосося ( S. salar ).Карты структуры популяции для (AB) выбросов одиночных нуклеотидных полиморфизмов (SNP) в блоках выбросов Ssa01 и Ssa23 и (CD) Ssa08 и Ssa29 для атлантического лосося в 80 точках отбора проб в (A, C) Канада и (B, D) Норвегия.На панелях показаны результаты байесовского кластерного анализа с пропорциональной принадлежностью, присвоенной двум генетическим кластерам для каждой популяции.
Результаты байесовской кластеризации предполагают различные истории эволюции этих двух перестроек, поэтому для дальнейшего изучения этих потенциальных различий генетические отношения в блоках выбросов были изучены среди людей с использованием анализа главных компонентов (PCA) и деревьев объединения соседей на индивидуальной основе (NJ). . Во-первых, панель локусов без выбросов по всему геному (1500 случайно выбранных SNP со значением pcadapt q- > 0.05 и исключая реаранжированные хромосомы) показали четкое трансатлантическое расщепление как для дерева PCA, так и для дерева NJ (рис. 5AB). И наоборот, при изучении SNP из блоков-выбросов на Ssa01 / Ssa23, уменьшенная трансатлантическая неоднородность была видна, с отдельными ветвями, обычно соответствующими вариациям в членстве в байесовском кластере (рис. 5CD). Некоторые особи из Лабрадора (в основном в пределах системы озера Мелвилл) сгруппировались с норвежскими особями на дереве штата Нью-Джерси (рис. 5D), а другой промежуточный кластер особей присутствовал между европейскими и «чисто североамериканскими» (на основе СТРУКТУРЫ) особями (рис. .5D), что указывает на наличие вторичного трансатлантического контакта. Кластеризация для Ssa08 / 29 показала разные паттерны, когда многие люди из всех регионов образуют группу, близкую, но отделенную от норвежских особей (рис. 5EF), что указывает на наследственный североамериканский кариотип, подобный европейскому (без слияния Ssas08 / Ssa29). Два дополнительных кластера на дереве NJ и PCA могут отражать людей, гетерозиготных или гомозиготных по производной североамериканской вариации, связанной со слиянием хромосом (см.рис.5EF).
Рис. 5. Генетические взаимоотношения для не выпадающих по всему геному SNP и геномных выпадающих блоков у отдельных атлантических лососей ( S. salar ).Анализ главных компонентов (PCA) и деревья соседнего соединения (NJ) на основе расстояний хорд Кавалли-Сфорца и Эдвардса (71) для отдельных лососей из Норвегии и Канады. (A) оси 1 и 2 ПК и (B) NJ-дерево для случайного набора из 1500 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), которые были несущественными в нашем анализе pcadapt и не локализовались на хромосомах с перестройками.Результаты дерева PCA и NJ для значительных локусов выбросов из блоков выбросов (C, D), на Ssa01 / Ssa23 и (E, F), блоков выбросов на Ssa08 / Ssa29. Ветви и точки раскрашены по географическому региону, как на рис. 1. Все особи использовались для PCA, тогда как для дерева штата Нью-Джерси были включены все североамериканские особи, но только подмножество репрезентативных норвежских особей было выбрано из пяти произвольно выбранных популяций в разных регионах. различные географические регионы (Эннингдалсельва, Науста, Аргардсвасдрагет, Эльвегардсельва и Рисфьордвассдрагет).Предполагаемые кариотипы и истории перестроек обозначены кружками и текстом на деревьях штата Нью-Джерси на основании результатов байесовской кластеризации, дерева штата Нью-Джерси и PCA.
Происхождение и отбор по хромосомам
Родословная была назначена по каждой хромосоме (с геномными позициями, выровненными по европейскому геному) с помощью PCAdmix (35) для североамериканских индивидов на основе результатов байесовской кластеризации регионов с отклонениями. По хромосомам Ssa01 и Ssa23, люди с признаками потенциальной европейской примеси (СТРУКТУРА Q-значения <0.9; n = 191) были отнесены к `` чистой '' Европе (Q <0,1) или к `` чистой '' Северной Америке (Q> 0,9), и мы обнаружили четкие признаки европейского происхождения в обоих выпадающих регионах у большинства смешанных особей (рис. . 6AB). Высокие уровни европейского происхождения (среднее европейское происхождение было> 50% в некоторых окнах SNP по выборкам) в этих выпадающих регионах контрастировали с низким полногеномным европейским происхождением, рассчитанным по всем хромосомам (среднее значение ± стандартная ошибка: 3,30 ± 0,07%) (рис. S6). Примечательно, что один человек показал свидетельства недавнего европейского происхождения (потенциальное обратное скрещивание второго поколения) и может отражать интрогрессию со стороны беглеца из аквакультуры или трансатлантического блуждающего события (рис.6AB). Далее, значения D Таджимы по хромосомам Ssa01 и Ssa23 соответствовали положительному отбору (U-критерий Манна-Уитни) по «чистому» североамериканскому типу в пределах резко выделяющейся области Ssa01 (W = 550, p = 8,39e-09; рис. 6E) и Ssa23 (W = 357, p = 0,0004; рис. 6F). Доказательства положительного отбора в регионе Ssa01 также были обнаружены при объединении чистокровных жителей Северной Америки и лиц с убедительными доказательствами вторичного контакта (Q <0,1) (W = 1511, p = 0,0008; рис. 6E), потенциально обусловленных большей выборкой. размер чистой североамериканской группы (n = 355) относительно смешанной (n = 30).В соответствии с этими результатами, выпадающие регионы у чистокровных жителей Северной Америки продемонстрировали достоверные доказательства положительного избирательного охвата для Ssa01 (U-критерий Манна-Уитни, W = 4796, p = 1,01e-07) и Ssa23 (W = 1106, p = 0,011). ), но не у смешанных особей (Ssa01: W = 3317,5, p = 0,2457; Ssa23: W = 902,5, p = 0,374) (см. приложение к рис. S7).
Рис. 6. Происхождение и отбор по перестроенным хромосомам у североамериканского атлантического лосося ( S. salar ). Родословная, назначенная для окон 20 SNP вдоль хромосом (A) Ssa01, (B) Ssa23, (C) Ssa08 и (D) Ssa29 для североамериканского лосося, определенного PCAdmix (35) с чистым и смешанные группы, разделенные на основе Q-значений СТРУКТУРЫ.Для (A, B) происхождение Ssa01 / Ssa23 было отнесено к двум группам, включая европейскую (желтый) и североамериканский (темно-синий) для всех лиц с признаками европейского происхождения (значение Q <0,9; n = 191). Для (C, D) происхождение Ssa08 / Ssa29 было отнесено к трем группам, включая европейское (желтый), североамериканское происхождение (темно-синий) и североамериканское происхождение (светло-синий) для лиц с промежуточными значениями Q (0,1 (E) Ssa01, (F) Ssa23, (G) Ssa08 и (H) Ssa29 для разных групп предков в Северной Америке и группах. комбинированный. Внутри резко выделяющихся регионов (выделены серым цветом) стрелки указывают на значительный выбор (стрелка вверх = балансирующий выбор; стрелка вниз = положительный выбор), а цвет стрелки соответствует группе, подвергшейся значительному выбору.
Для Ssa08 / Ssa29 люди были разделены на три «чистых» группы предков: европейские (Q> 0,9 из Европы), североамериканские предки (Q> 0,9 из Северной Америки) и североамериканские (Q <0,1 из Северной Америки). родословная была определена у лиц из Северной Америки с промежуточными значениями Q (0,1 0.234) (см. Приложение к рис. S7).
Обсуждение
Плейстоценовые оледенения и межледниковые периоды привели к сокращению и расширению ареалов, которые сильно повлияли на геномы многих северных видов (1, 3, 11–13). По мере того как ледники отступали на ~ 10 тыс. Лет назад, некоторые морские виды демонстрировали постледниковое расширение ареала из Европы в Северную Америку (12), и признаки исторического трансатлантического потока генов были задокументированы у таких видов, как атлантическая треска ( Gadus morhua ) (36) , Североатлантический волк ( Anarhichas spp.) (37) и морская звезда ( Asterius rubens ) (38). Что касается атлантического лосося, колонизация ранее покрытых льдом регионов Северной Америки, вероятно, вовлекала особей как из западных, так и из восточных атлантических рефугиумов (16), что привело к вторичному контакту в некоторых регионах. Наше исследование выявило новые широко распространенные вариации у североамериканских атлантических лососей, связанные с хромосомной транслокацией (Ssa01 / Ssa23), что отражает доказательства трансатлантического вторичного контакта, о чем свидетельствуют высокие уровни гетерогенного европейского происхождения (> 50%) на этих хромосомах, в отличие от низких уровней. общегеномный (~ 3%).Наше исследование также обнаружило новые и обширные вариации, связанные со слиянием хромосом (Ssa08 / Ssa29), вероятно, представляющие собой производный полиморфизм слияния, который развился в пределах североамериканского происхождения до послемедникового расширения ареала.
Пространственная генетическая структура выбросов Ssa01 / Ssa23 (но не Ssa08 / Ssa29) показала широтный клинальный образец, который согласовывался с географическим распределением свидетельств европейской митохондриальной ДНК в Северной Америке (16, 21, 23, 39), что свидетельствует о том, что вторичный постледниковый контакт в северных регионах, таких как Лабрадор и некоторые части Ньюфаундленда (Нидерланды).Способность к трансокеанской миграции в сочетании с изменением окружающей среды (отступление ледникового покрова), вероятно, способствовала трансатлантическому вторичному контакту в этих северных регионах, поскольку лосось из обоих рефугиумов конкурировал за колонизацию новых доступных местообитаний. Действительно, европейский лосось все еще подвергается масштабным миграциям по океану к основным местам нагула в этих северных регионах (40). Исследования по мечению документально подтвердили миграцию лосося из Норвегии, Ирландии и Соединенного Королевства в Лабрадорское море у Западной Гренландии (41), где промысел лосося составляет ~ 20% европейского происхождения, а исторически составлял> 50% (42, 43 ).Кроме того, в соответствии с нашими результатами, предыдущие данные показали увеличение частоты европейских предков с запада на восток в южной Северной Ливии с переходом на полуостров Бурин (21). Хотя наши сайты NL находятся к западу от этого перерыва, ближайший сайт (Garnish; GAR) показал большую принадлежность к европейскому кластеру, чем другие сайты NL. Наше наблюдение вторичного контакта у лабрадора также согласуется с сообщениями о европейских митохондриальных гаплотипах в этом регионе (16, 21), но наше исследование является первым, демонстрирующим, насколько широко распространен этот контакт, вероятно, в разных системах.Эти признаки вторичного контакта не согласуются с современным опосредованным человеком перемещением лосося (то есть зарыблением и аквакультурой) (16), и, как правило, люди в нашем исследовании, по-видимому, демонстрируют явные доказательства европейского происхождения только в частях своего генома.
В то время как трансатлантический вторичный контакт является наиболее экономным объяснением вариабельности транслокации Ssa01 / Ssa23, пространственные генетические паттерны для Ssa08 / Ssa29 не соответствовали вторичному контакту, и генетический кластер европейского типа преобладал во многих реках Северной Америки, хотя Дальнейший анализ выявил различия в кластере «европейского типа» между континентами.Наши данные предполагают, что предковый североамериканский кариотип для Ssa08 / Ssa29 является «европейским» (, т.е. , без слияния) и, что интересно, более похож на европейский, чем производный североамериканский тип (, то есть , слияние). Производный полиморфизм слияния Ssa08 / Ssa29, вероятно, возник в пределах североамериканского происхождения до постледниковой колонизации и не достиг фиксации, что согласуется с нашим открытием балансирующего отбора, поддерживающего этот полиморфизм. Хотя свидетельства недавнего вторичного контакта также могут присутствовать в регионе Ssa08 / Ssa29, мы обнаружили ограниченное европейское происхождение в этом регионе.Вероятно, что во время недавнего вторичного контакта рекомбинация могла свободно происходить между предковыми североамериканскими и интродуцированными европейскими кариотипами (, т.е. , оба без слияния для Ssa08 / Ssa29), позволяя распад LD в регионе.
Хотя блоки выбросов Ssa01 / Ssa23 и Ssa08 / 29 могут происходить из разных историй, вполне вероятно, что эти регионы включают важные адаптивные вариации внутри популяций, и это согласуется с наблюдаемым положительным отбором сигнатур на Ssa01 / 23 и балансирующим отбором на Ssa08 / 29.Действительно, локусы количественных признаков (QTL) для вариаций жизненного цикла, включая возраст при физиологической адаптации к морской воде (смолтификация) и половое созревание, были обнаружены на нескольких хромосомах, включая Ssa01, Ssa08 и Ssa23, с использованием трансатлантических обратных скрещиваний, где, в частности, Ssa23 показали общегеномное значение для раннего смолтинга (44). Было обнаружено, что экологически значимые QTL у шести видов лососевых значительно обогащены Ssa01 (и синтеническими областями у других видов), а несколько видов показали QTL для морфологических, физиологических и жизненных признаков (45) в пределах блока выбросов, идентифицированного в нашем исследовании.Кроме того, многие SNP на Ssa01, Ssa08 и Ssa29 объясняют региональную генетическую структуру, связанную с различными тепловыми режимами у лабрадора (46), таким образом, мы предсказываем, что эти геномные области несут многие гены, имеющие экологическое значение у атлантического лосося.
Важным следствием нашего исследования является выявление обширных вариаций кариотипа внутри и среди особей и популяций североамериканских атлантических лососей. Интересно, что предыдущее ограниченное кариотипирование североамериканского лосося (в основном полученного из зверобоя зверобоя).John River, NB) выявили, что люди были гетерозиготными по слиянию Ssa08 / Ssa29, но фиксировались по транслокации Ssa01 / Ssa23 (19), что согласуется с нашими находками в том же географическом регионе. Индивидуальная гетерозиготность для слияния Ssa26 / 28 также была обнаружена в предыдущем исследовании (19), но в нашем исследовании не было обнаружено блоков с выбросами, связанных с этой перестройкой, что потенциально указывает на то, что слияние Ssa26 / 28 не достигло значительных пороговых значений LD или что мы не отбирали образцы. географические регионы, где присутствует вариация слияния.Тем не менее, вариация всех трех перестроек предполагает, что число хромосом (2N) может варьироваться от 54 до 58 в Северной Америке, что согласуется с исследованиями кариотипирования, в которых сообщается об этом диапазоне популяционно-специфичного типа 2N с доказательствами межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости (19, 47–50). Внутри индивидов может оказаться возможным спаривание и рекомбинация перестроенных хромосом с кроссинговером, сильно ограниченным в точках слияния и деления, что приводит к обнаруженным здесь высоким блокам LD, которые дополнительно усиливаются паттернами рекомбинации у самцов лососевых, которые сильно локализованы по отношению к теломерным. регионов (51).Кроме того, остаточная тетраплоидия в сочетании с, как правило, низкой скоростью рекомбинации лососевых (52) может защитить от возможных негативных последствий кариотипических различий, учитывая, что внутривидовые вариации числа хромосом особенно распространены у видов лососевых (53). Гомеологические области, идентифицированные для хромосом атлантического лосося (51), могут помочь компенсировать потенциальные затраты на гетерокариотипы. В качестве альтернативы поток генов может быть ограничен между людьми с разными кариотипами посредством процессов полового отбора ( i.е. , выбор партнера до и / или после совокупления), которые часто используются лососевыми для улучшения генетического качества своего потомства (54–57).
В заключение, мы сообщаем о первых доказательствах широко распространенных вариаций основных хромосомных перестроек у североамериканского атлантического лосося, которые, как предполагалось ранее, приведут к несовместимости между популяциями восточной и западной атлантических популяций (20). Наши результаты предполагают, что вариации в хромосомной перестройке отслеживают различные эволюционные истории атлантического лосося, где транслокация Ssa01 / Ssa23 показывает доказательства значительной гетерогенной интрогрессии европейской ДНК в Северную Америку, вероятно, отражая доказательства постледникового трансатлантического вторичного контакта.Напротив, широко распространенные различия, связанные со слиянием хромосом (Ssa08 / Ssa29), вероятно, представляют собой вариации, которые развились в пределах североамериканского происхождения, предполагая, что преобладающий наследственный североамериканский кариотип является «европейским». Хотя в нашем исследовании не проводилось прямое определение кариотипа особей, а европейская выборка была ограничена Норвегией, наша работа показывает, что некоторые регионы генома не подходят для трансатлантической дискриминации, и это имеет важные управленческие последствия для оценок смешанного промысла (40, 42, 58). ) и количественная оценка воздействия диких и сельскохозяйственных культур ( i.е. , представила европейское маточное стадо) взаимодействия лосося (59). Наше исследование подчеркивает, как события примеси во время послемедникового расширения ареала и геномной архитектуры могут способствовать крупномасштабному внутривидовому геномному разнообразию, которое может стимулировать эволюционные изменения, которые, возможно, способствовали успеху колонизации атлантического лосося в Северной Америке.
Материалы и методы
Сбор образцов и генотипирование
Атлантический лосось из 80 популяций, охватывающих Норвегию и Канаду (рис.1 и таблица S1) были генотипированы с использованием 220 000 целевых, биаллельных SNP-массивов Affymetrix Axiom, разработанных для атлантического лосося Центром интегративной генетики (CIGENE, Ås, Норвегия). Сбор, подготовка и генотипирование образцов для норвежских участков (n = 54) и канадских участков в Лабрадоре (n = 17) были ранее описаны в Barson, et al. (60) и Sylvester, et al. (61) соответственно. Образцы из других канадских участков в Нью-Брансуике (n = 2 участка), Новой Шотландии (n = 3) и Ньюфаундленде (n = 4) были собраны для предыдущих исследований (62, 63) и генотипированы с использованием того же протокола, что и Sylvester, . и другие. (61). Всего в наш анализ было включено 546 и 913 лососей из Канады (попугаи лосося) и Норвегии (взрослые особи лосося) соответственно.
Обнаружение индивидуальных различий в геномной архитектуре
Пакет R pcadapt (32) использовался для обнаружения геномных регионов, связанных с индивидуальными различиями в геномной архитектуре в 26 популяциях североамериканских лососей. Отсечка частоты минорных аллелей (MAF) была установлена на 0,05, в результате чего в анализе использовалось 104 119 SNP.Мы протестировали несколько значений K (количество основных компонентов; ПК) в диапазоне от 1 до 50. Мы ожидали, что по мере сохранения в анализе большего количества осей ПК мы будем все чаще обнаруживать выпадающие SNP, представляющие индивидуальные вариации, с учетом вариации на уровне популяции. Окончательное количество оставленных осей ПК (K = 40) определяли визуальным осмотром осыпи. Пакет R qvalue (64) использовался для преобразования p-значений для всех SNP в q-значения, чтобы контролировать частоту ложного обнаружения (65).Сгенерированные значения q были построены с использованием функции графика Манхэттена в пакете R qqman (66). На манхэттенском графике были идентифицированы хромосомы, характеризующиеся областями с большим количеством локусов со значительными значениями q (, то есть , большие блоки выбросов), которые затем исследовались с последующим анализом.
Неравновесие по сцеплению блоков с выбросами
Неравновесие по сцеплению (LD) было рассчитано среди всех SNP с выбросами ( q -значение <0.05) на хромосомах, содержащих большие блоки выбросов. Отдельно анализировались популяции лосося из Канады и Норвегии. Парные значения LD (R 2 ) определяли с помощью PLINK (67) и визуализировали с помощью функции heatmap.2 на графиках gplots (68). В случае, когда между выбросами на двух отдельных хромосомах были обнаружены области с высоким LD, что может иметь место для областей, вовлеченных в структурные перестройки, попарные значения LD между всеми локусами (с MAF> 0,05) на двух хромосомах также визуализировались таким же образом, как и описано выше.Области с высоким значением LD на хромосомах дополнительно исследовали путем нанесения среднего попарного значения LD по хромосоме для каждого SNP (MAF> 0,05).
Население и генетическая структура на индивидуальном уровне блоков выбросов
Пространственная генетическая структура была исследована для блоков выбросов. Для каждого блока выбросов мы выбрали все значимые SNP ( q -значение <0,05) в пределах области блока. Значимые SNP из блоков-выбросов были объединены и проанализированы вместе, если была обнаружена высокая LD между областями из разных хромосом, которые имеют известную перестройку.Мы объединили эти SNP, потому что наши геномные позиции основаны на геноме европейского атлантического лосося, и, следовательно, позиции этих хромосом у североамериканского лосося будут отличаться.
Во-первых, байесовский кластерный анализ был выполнен на наборах данных блоков выбросов с использованием программы STRUCTURE v2.3.4 (33), где прогоны были реализованы с помощью параллельной структуры пакета R (69). Для каждого значения K ( i.е. , генетические кластеры) в диапазоне от 1 до 15. Мы определили оптимальное количество K, вычислив статистику ΔK (34) с помощью STRUCTURE HARVESTER (70). Используя лучший K, коэффициенты примеси из STRUCTURE были использованы для расчета доли популяции, принадлежащей к каждому кластеру.
Характерные для популяции закономерности частоты аллелей по широте были исследованы для наборов резко отклоняющихся значений для канадских популяций, при этом норвежский аллель считался основным аллелем для каждого локуса.Частоты аллелей были смоделированы по широте с использованием обобщенных линейных моделей.
Затем мы изучили индивидуальные различия, сравнив индивидуальные генетические отношения для разных блоков выбросов. В дополнение к выпадающим блокам мы выбрали панель из 1500 случайно выбранных не выпадающих SNP ( q -значение> 0,05 и исключая хромосомы с выпадающими блоками), чтобы отразить нейтральную популяционную структуру всего генома. Для наборов данных с выбросами и без выбросов мы сравнили генетические расстояния между людьми из Европы и Северной Америки, используя дерево объединения соседей (NJ), основанное на расстояниях хорд Кавалли-Сфорца и Эдвардса (71), рассчитанных в POPULATIONS v1.2.33 (72) с 1000 загрузочных реплик по локусам. FigTree v1.4 (73) использовался для визуализации генетических взаимосвязей. Генетическая структура была также исследована с помощью анализа главных компонентов (PCA) в пакете R adegenet (74). Все люди были использованы для PCA. В дерево штата Нью-Джерси были включены все североамериканские особи, но только часть репрезентативных норвежских особей была выбрана из пяти произвольно выбранных популяций в различных географических регионах (Эннингдалсельва, Науста, Оргордсвассдрагет, Эльвегордсельва и Рисфьордвассдрагет).Этой подгруппы индивидуумов было достаточно, чтобы выявить четкое трансатлантическое разделение по маркерам всего генома, и это соответствовало PCA с использованием всех индивидуумов (см. Результаты).
Происхождение и отбор по хромосомам
PCAdmix (35) использовался для определения происхождения по каждой хромосоме. Для каждой хромосомы генотипы были фазированы с помощью BEAGLE 3.0 (75). Учитывая, что истории и, следовательно, отношения могут различаться для разных блоков выбросов, PCAdmix использовался для определения происхождения по всем хромосомам на основе результатов байесовской кластеризации отдельно для наборов данных с выбросами.Для идентифицированного набора данных выбросов Ssa01 / Ssa23 люди были разделены на основе их коэффициентов родословной (STRUCTURE Q-values), где чистые европейские и чистые североамериканские группы включали европейцев с Q-значением <0,1 (n = 628) и североамериканских лица с Q-значением> 0,9 (n = 355) соответственно. Всем людям с некоторыми признаками потенциальной европейской интрогрессии (значение Q <0,9; n = 191) было присвоено происхождение по каждой гомологичной хромосоме. Для Ssa08 / Ssa29 мы предположили три потенциальных типа предков (см. Результаты): Европейский (значение Q <0.1 из Норвегии; n = 381), североамериканские предки (значение Q <0,1 из Канады; n = 101) и производные из Северной Америки (значение Q> 0,9 из Канады; n = 189). Всем лицам с промежуточными значениями Q (0,1 <значение Q <0,9; n = 250) была определена родословная. Происхождение по каждой хромосоме было отнесено к 20 окнам SNP, а родословные отнесения были связаны с апостериорной вероятностью. Апостериорные вероятности каждого назначения были усреднены для каждого окна SNP, чтобы оценить относительную уверенность в назначении.SNP исключались из анализа, если они были мономорфными во всех чистых образцах.
В дополнение к родословной, PopGenome (76) использовался для проверки отбора по регионам с отклонениями. Для анализа использовались индивиды из Северной Америки из крайних значений байесовской кластеризации (значения Q <0,1 или значения Q> 0,9). Для Ssa01 / Ssa23 индивиды были сгруппированы как североамериканские (Q> 0,9) или смешанные североамериканско-европейские (Q <0,1), что соответствовало только индивидам с убедительными доказательствами европейской интрогрессии.Для Ssa08 / Ssa29 люди были сгруппированы как североамериканские предки (Q <0,1) и производные из Северной Америки (Q> 0,9), и это было основано на результатах дерева штата Нью-Джерси. Группы анализировались отдельно и вместе для расчета D Таджимы по хромосомам в окнах размером 500 КБ. Статистическая значимость положительного и уравновешивающего отбора в регионах с отклонениями проверялась по значениям на уровне всей хромосомы с использованием U-критерия Манна-Уитни. Наконец, мы использовали метод составного правдоподобия Sweepfinder в SweeD (77, 78) на каждой хромосоме для обнаружения окон размером 500 КБ с сигнатурами положительного отбора.Мы провели анализ SweeD отдельно для тех же групп, которые использовались для расчетов D. Мы классифицировали регионы с составными отношениями правдоподобия, превышающими 95% квантиль значений по всей хромосоме, как находящиеся под отбором во всех сравнениях. Статистическая значимость выборочных свипов в пределах резко отклоняющихся областей была также проверена в сравнении со значениями в масштабе всей хромосомы с использованием U-критерия Манна-Уитни.
Доступность данных
Данные будут доступны до принятия рукописи.
Вклад авторов
SJL, IRB, TK, JBH и PB внесли свой вклад в концепцию и дизайн исследования.SJL, JBH и TK провели статистический анализ. MC, PB, JBH и SL предоставили молекулярные данные и метаданные для исследования. SJL подготовила рукопись, и все авторы внесли свой вклад в написание и одобрили окончательный вариант рукописи.
Благодарности
Мы благодарим Центр интегративной генетики (CIGENE) за генотипирование данных широкого диапазона, использованных в настоящем исследовании.
Карта связей для кумжи (Salmo trutta): хромосомные гомеологии и сравнительная организация генома с другими лососевыми рыбами
Реферат
Мы сообщаем о построении карты связей для кумжи ( Salmo trutta ) и ее сравнении с таковые из других тетраплоидных производных рыб семейства Salmonidae, включая атлантический лосось ( Salmo salar ), радужную форель ( Oncorhynchus mykiss ) и арктический голец ( Salvelinus alpinus ).В целом, мы идентифицировали 37 групп сцепления (2 n = 80) на основе анализа 288 микросателлитных полиморфизмов, 13 аллозимных маркеров и фенотипического пола в четырех семьях обратного скрещивания. Кроме того, мы использовали анализ центромеры генов, чтобы приблизительно определить положение центромеры для 20 групп сцепления и, таким образом, связать механизмы сцепления с физической морфологией хромосом. По оценкам, поло-зависимые карты, полученные от нескольких родителей, охватывают 346,4 и 912,5 сМ мужского и женского геномов соответственно.Как ранее наблюдалось у других лососевых, уровни рекомбинации показали большие половые различия (среднее соотношение самок и самцов составляло 6,4), при этом кроссоверы самцов обычно локализовались ближе к дистальному концу групп сцепления. Предполагаемые гомеологические области, унаследованные от тетраплоидного предка лососевых, были идентифицированы для 10 пар групп сцепления, включая пять хромосом, показывающих признаки остаточной тетрасомии (псевдосвязь). Сопоставление карт с ортологическими регионами атлантического лосося, радужной форели и арктического голца также выявило обширную консервацию синтенных блоков у разных видов, что в целом соответствовало расхождению хромосом за счет Робертсоновских транслокаций.
ТЕЛЕОСТЫ семейства Salmonidae (, например, , форель и лосось) долгое время считались производными полиплоидной эволюции (Svärdson 1945). Текущее мнение, которое подтверждается оценками размера генома (Ohno et al. 1968), количеством хромосом (Phillips and Ràb 2001) и схемами дупликации генов (Allendorf et al. 1975), заключается в том, что полиплоидия лососевых являются предками образования современных таксонов и предположительно произошли в результате дупликации всего генома в ранней эволюции семейства (Allendorf and Thorgaard 1984).В то время как возраст события дупликации все еще остается вопросом неопределенности (25–100 миллионов лет назад), остаточные признаки тетрасомии у современных лососевых (, например, , некоторые хромосомы могут образовывать поливалентные вместо бивалентов при мейозе, спариваясь с более чем одним homolog) указывают на то, что участвующие геномы, вероятно, обладали обширной гомологией во время тетраплоидизации (Allendorf and Thorgaard 1984). Таким образом, внутривидовая дупликация генома (аутотетраплоидия) является предпочтительной гипотезой происхождения полиплоидии в этом семействе (Allendorf and Thorgaard 1984), хотя нельзя исключить тетраплоидизацию после гибридизации близкородственных видов с частично дифференцированными хромосомами (сегментарная аллотетраплоидия) (Wright et al. . 1983; Johnson et al. 1987).
После события дупликации геном лососевых рыб возвращается к диплоидному состоянию (диплоидизации) за счет дифференциации дублированных наборов хромосом на отдельные пары гомеологов (Ohno et al. 1968). Независимая сегрегация гомеологов (дисомная наследственность) была восстановлена по большей части генома, за исключением некоторых хромосом, которые все еще образуют поливаленты и обмениваются сегментами хроматид со своими предковыми аналогами во время мейоза (обзор у Allendorf and Thorgaard 1984).Однако рекомбинация между гомеологичными сегментами, по-видимому, ограничивается субтеломерным или теломерным концом хромосом, поскольку маркерные области, демонстрирующие признаки недисомной сегрегации, совпадают с дистальным концом групп сцепления (Johnson et al. .1987; Sakamoto et al. 2000). ). Это можно объяснить моделью «вторичной тетрасомии», в которой гомологичные хромосомы сначала спариваются и рекомбинируют в областях, проксимальных к центромере, с последующим гомеологическим спариванием и рекомбинацией к дистальному концу хромосомы (Allendorf and Thorgaard 1984; Allendorf and Danzmann 1997) .Следовательно, мейотическая рекомбинация между гомеологами, как полагают, замедляет диплоидизацию дистально расположенных генов, тогда как сегменты, более проксимальные к центромере, могут расходиться с большей скоростью (Allendorf et al. 1986).
Другим следствием остаточной персистенции тетрасомии у видов лососевых является необычный паттерн сегрегации генов (псевдосвязь), при котором рекомбинантные типы потомков образуются в количестве, превышающем родительские во время мейоза, что приводит к тому, что физически несвязанные локусы появляются в неравновесном сцеплении, когда фаза аллели неизвестны (Morisson 1970; Davisson et al. 1973; Wright et al. 1983). В отличие от рекомбинации между гомеологичными сегментами ДНК, псевдосвязь не ограничивается дистальным концом хромосомных плеч и может также влиять на регионы, более близкие к центромере (Wright et al. 1983; Johnson et al. 1987). До сих пор псевдосвязь и фактически все формы остаточной тетрасомии наблюдались только у мужчин, и имеется мало свидетельств аналогичных паттернов у женщин (хотя см. Danzmann et al. 2005). Происхождение этих половых различий остается неясным, хотя было высказано предположение, что формирование поливалентности может быть ограничено во время женского мейоза из-за большей специфичности в инициации спаривания хромосом по сравнению с мужчинами (Allendorf and Thorgaard 1984).
Восстановление дисомного наследования по большей части генома лососевых предположительно включает специфические хромосомные перестройки, которые помогают дифференцировать гомеологичные регионы и способствовать образованию мейотических бивалентов (Allendorf and Thorgaard 1984).Хотя этот аспект процесса диплоидизации плохо изучен, слияния хромосом, по-видимому, сыграли преобладающую роль в изменении кариотипа лососевых (Hartley 1987). Хотя в семействе существует обширная вариация числа хромосом (2 n = 52–102), большинство видов лососевых имеют довольно похожее количество хромосомных плеч (NF ∼100), что примерно в два раза больше, чем обычно наблюдается у других костистых особей ( Филлипс и Раб 2001). Таким образом, современные лососевые, как полагают, произошли от предкового кариотипа, аналогичного кариотипу большинства костистых рыб (2 n = 48, NF = 48), и впоследствии разошлись через серию слияний центромеры с центромерами (Робертсоновские транслокации), которые поддерживали общее количество хромосомных плеч (Allendorf and Thorgaard 1984).
Робертсоновские транслокации также считаются основным способом перестройки хромосом как внутри, так и среди родов лососевых (Phillips and Ràb 2001). Согласно Hartley (1987), среди кариотипов лососевых можно выделить две основные категории, которые существенно различаются по относительному количеству одноруких (акроцентрических) и двуплечих (метацентрических) хромосом из-за разной скорости робертсоновских транслокаций. Лосось типа A, включая кумжу ( Salmo trutta ) и арктический голец ( Salvelinus alpinus ), имеют диплоидные числа, близкие к 80, ∼100 хромосомных плеч и более акроцентрические, чем метацентрические хромосомы.Напротив, виды с ~ 60 хромосомами, 104 хромосомными плечами и большим количеством метацентриков по сравнению с акроцентриками характеризуются как имеющие кариотипы B (, например, , радужная форель, Oncorhynchus mykiss ). Совсем недавно Филлипс и Раб (2001) предложили дополнительные подкатегории для учета необычного количества хромосомных плеч у ленков (NF = 110–116), хученов (NF = 112–116), хариуса (NF = 146–170) и атлантических животных. лосось ( Salmo salar , NF = 72–74). Поскольку Робертсоновские транслокации не сопровождаются изменением числа хромосомных плеч, эволюция кариотипа у этих видов должна была включать и другие типы перестройки, такие как слияние центромеры и теломер (тандем) и / или инверсии, которые включают центромерную область. (перицентрические инверсии).
В предыдущих попытках изучить организацию генома лососевых мы использовали микросателлитные маркеры для разработки карт сцепления радужной форели (Sakamoto et al. .2000; Danzmann et al. 2005) и арктического голца (Woram et al. 2004). Это позволило нам идентифицировать несколько участков хромосом, предположительно полученных в результате дупликации всего генома, на основе обнаружения дублирующих копий маркеров внутри вида. Кроме того, мы использовали набор консервативных маркеров для разных видов для исследования межвидовых паттернов хромосомной эволюции, включая информацию о картировании атлантического лосося (Danzmann et al. 2005). В этом исследовании мы расширили наш анализ на другого члена семейства лососевых, разработав карту сцепления для кумжи. Поскольку этот вид имеет более акроцентрические, чем метацентрические хромосомы (2 n = 80, NF = 100–104), ожидается, что его геном претерпел меньше хромосомных перестроек, чем большинство лососевых, что, в свою очередь, должно облегчить идентификацию предковых хромосомных блоков. и реконструкция эволюции кариотипа в семье.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Биологический материал:
Контрольные семьи:
Исходные популяции, использованные для определения механизмов сцепления между генетическими маркерами, были родословными обратного скрещивания между отдельными филогенетическими группами в комплексе кумжи, включая особей из Атлантики, Средиземноморья и marmoratus (см. Giuffra et al. 1996 для получения дополнительных сведений о филогенетических отношениях между линиями передачи). Два средиземноморских хатлантических гибридных самца F 1 были скрещены с разными атлантическими самками для получения семей, из которых была собрана большая часть данных (семьи 12 и 15). Две дополнительные семьи (семьи 14 и 17) были также получены в результате обратного скрещивания marmoratus × Atlantic F 1 самцов с атлантическими самками. Все кроссы проводились зимой 1992 г. и выращивались на рыбных экспериментальных объектах Национального института исследований и агрономии (INRA).Рыбу забивали через 12–18 месяцев после вылупления в соответствии с французскими правилами ухода за животными и хранили при -20 ° для сохранения тканей и ферментов. Маркерный анализ был проведен на подмножестве из 45 потомков для семейств 12 и 15 и 48 потомков для семейств 14 и 17.
Мейотические гиногены:
Исходным материалом для картирования центромеры были мейотические гиногены, полученные путем удержания второго полярного тельца в соответствии с протоколами. аналогично описанным в Chourrout (1980) с модификациями, изложенными в Quillet et al. (1991). Вкратце, сперма, собранная у нескольких самцов и облученная ультрафиолетовым светом, использовалась для активации яйцеклеток, взятых у самок-доноров. Экструзия второго полярного тельца затем подавлялась обработкой тепловым шоком, таким образом блокируя второе мейотическое деление и приводя к диплоидным гиногенетическим особям, чьи хромосомы происходят из рекомбинантных сестринских хроматид. Для этого исследования были отобраны два набора из 47 гиногенов из потомства двух атлантических самок (G1 и G2).
Генетические маркеры:
Белковые системы:
Электрофорез аллозимов и других белков проводили в горизонтальных крахмальных гелях с использованием печени, глаз, крови или мышечной ткани в соответствии с методами, описанными Krieg and Guyomard (1985). Полиморфные системы включали фумаратгидратазу (EC 4.2.1.2, FH-1,2), малатдегидрогеназу (EC 1.1.1.37, sMDH-A2 и sMDHB1,2), изоцитратдегидрогеназу (EC 1.1.1.42, sIDHP-1 и sIDHP. -2), l-лактатдегидрогеназа (EC 1.1.1.27, LDH-C1), фосфоглюконатдегидрогеназа (EC 1.1.1.44, PGDH), глицерин-3-фосфатдегидрогеназа (EC 1.1.1.8, G3PDH-1), маннозо-6-фосфат-изомераза (EC 5.3.1.8, MPI), аспартаттрансаминаза (EC 2.6.1.1, sAAT-1 , 2), гидролаза сложного эфира карбоновой кислоты (EC 3.1.1.-, EST-1), супероксиддисмутаза 4 (EC 1.15.1.1, sSOD-1) и трансферрин ( TF ).
Микросателлиты:
Образцы геномной ДНК получали из ткани мышц или печени, консервированных в этаноле, после упрощенных процедур экстракции фенолом и осаждения этанолом (Estoup et al. 1993). Полимеразные цепные реакции (ПЦР) были помечены либо радиоактивностью, либо флуоресценцией (см. Ниже и дополнительную таблицу S1 на http://www.genetics.org/supplemental/ для конкретных условий ПЦР для каждого маркера). Для радиоактивной ПЦР реакционная смесь (10 мкл) содержала 80 нг матрицы геномной ДНК, 1 × реакционный буфер (Promega, Madison, WI), нерадиоактивный праймер 400 нм, праймер 440 или 880 нм, меченный на концах [γ- 33 P] dATP, 75 мкм каждый dNTP (Amersham, Buckinghamshire, UK), 0.8–2,5 мм MgCl 2 (Promega), 20 мкг / мл бычьего сывороточного альбумина и 0,25 единицы полимеразы Taq (Promega). Флуоресцентные реакции амплифицировали в объемах 10 мкл с 40 нг геномной ДНК, 1 × реакционным буфером (Promega), флуоресцентным праймером 220 нм, нефлуоресцентным праймером 800 нм, 125 мкм каждого dNTP (Amersham), 0,8–2,0 мм MgCl 2 (Promega) и 0,35 единицы ДНК-полимеразы Taq (Promega). Все амплификации были обработаны на MJ Research (Watertown, MA) PTC-100/200 или Hybaid MBS 0.Термоцилиндры 2G на 5 мин при 96 °; 5 циклов по 1 мин при 96 °, 30 сек при 48 ° –60 °, 30 сек при 72 °; 19–25 циклов по 30 с при 95 °, 30 с при 48–60 °, 30 с при 72 °; 5 мин при 72 °; и заключительное замачивание при 10 °. После прямого добавления загрузочного буфера продукты ПЦР денатурировали в течение 4 мин при 95 ° и подвергали электрофорезу в денатурирующих гелях 6% полиакриламида в течение 1,5–6 часов, в зависимости от размера фрагмента. Фрагменты, разделенные электрофорезом, визуализировали с использованием платформы для обнаружения флуоресценции (Hitachi FMBIO II) или рентгенографических пленок X-OMAT AR (Kodak).
Половой фенотип:
Фенотипический пол потомства в семьях 14 и 17 определяли внутренним исследованием гонад после диссекции и использовали в качестве доминантного маркера для самцов для анализа сцепления, как описано в Woram et al. (2003).
Номенклатура микросателлитов:
Новые микросателлитные маркеры, представленные в этом исследовании, были названы в соответствии с соглашением, изложенным Jackson et al. (1998), где первые три буквы относятся к виду происхождения, а лаборатория-источник указывается как суффикс (см. Sakamoto et al. 2000 и Woram et al. 2003 с полным списком сокращений). Все ранее опубликованные маркеры были обозначены в соответствии с исходным отчетом (см. Дополнительную таблицу S1 на http://www.genetics.org/supplemental/ для альтернативных обозначений, используемых в других публикациях). Дублированные локусы, обнаруженные с помощью одной пары праймеров (, т. Е. , маркеры, амплифицирующие более двух аллелей в одном отдельном отдельном экземпляре или очевидные отдельные маркеры, отображаемые на отдельные группы сцепления через картируемые родители), были идентифицированы с помощью меток / i или / ii в названии маркера. .Микросателлитные маркеры типа I, созданные на основе функциональных последовательностей, были названы в соответствии с продуктом гена, включая TF , миогенный фактор (MYOD), аррестин эритроцитов форели (TRCARR) и соматолактин (SL).
Анализ сцепления:
Карты с одним родителем:
Данные сегрегации обрабатывались отдельно для каждого пола путем независимого анализа сегрегационных аллелей мужчин и женщин. Генотипы маркеров из каждого семейства обратных скрещиваний изначально анализировались с помощью пакета программ LINKMFEX, версия 1.7 (http://www.uoguelph.ca/∼rdanzman/software/LINKMFEX/). Соответствие ожидаемому соотношению сегрегации 1: 1 оценивали для каждого маркера с <15% отсутствующих данных с использованием G-теста логарифмического правдоподобия (Sokal and Rohlf, 1995), и группы сцепления были собраны с минимальным значением LOD 4,0. На втором этапе генотипы были преобразованы в формат обратного скрещивания и импортированы в CARTHAGENE (de Givry et al. 2005), версия 0.99, который вычисляет порядки маркеров и наносит на карту расстояния с использованием подхода многоточечного правдоподобия.Поскольку для алгоритмов, реализованных в CARTHAGENE, требуются известные по фазе генотипы, исходный аллельный комплемент каждого маркера определялся до преобразования данных. Родительские фазы в средиземноморском хатлантическом F 1 гибридных самцов (семейства 12 и 15) были напрямую выведены путем генотипирования самцов бабушек и дедушек, вносящих средиземноморские аллели, с ограниченным числом исключений из-за неоднозначной передачи. Наиболее вероятная фаза маркеров, генотипированных у шести других родителей, была выведена из комбинаций аллелей, наблюдаемых среди связанных маркеров, при предположении, что самки демонстрируют только классическое сцепление и что природа сцепления ( i.е. , классический по сравнению с псевдосвязью ) одинаково для мужчин. Затем генотипы с обратным кросс-форматированием проверяли на наличие нерекомбинантных маркеров, которые объединяли в один составной маркер для дальнейшего анализа. Группы сцепления с <10 рекомбинантными маркерами были упорядочены после всестороннего поиска пространства правдоподобия с использованием команды flips с размером окна, равным количеству маркеров. Группы связи большего размера были заказаны в соответствии с поэтапным подходом. Первый шаг заключался в создании начальной карты с помощью команды build .На следующих этапах карта была улучшена методами локального поиска, включая имитацию отжига, жадные и генетические алгоритмы (подробности см. В документации CARTHAGENE). Оптимальность вывода была в конечном итоге проверена с использованием опций flips (размер окна = 7) и polish . Кроме того, подмножество упорядоченных с высокой степенью достоверности маркеров было предварительно идентифицировано для каждой группы сцепления с использованием функции каркасной карты с порогом LOD 3,0. Графические представления групп связей были созданы с помощью MAPCHART, версия 2.1 (Voorrips 2002), используя фракции рекомбинации в качестве оценок расстояний на карте, чтобы учесть высокие уровни перекрестной интерференции, о которых ранее сообщалось у кумжи (Guyomard 1986).
Карты с несколькими родителями:
Карты с несколькими родителями были собраны путем объединения наборов данных с одним родителем по полу с использованием опции mergen в CARTHAGENE. Неоднозначный порядок маркеров из-за отсутствия маркеров привязки у родителей рассматривался следующим образом. В случаях, когда неоднозначные порядки были вызваны маркерами из семейств 14 и 17, мы удалили соответствующие генотипы из объединенного набора данных и провели анализ сцепления с оставшимися данными.Однако, когда возникла двусмысленность из-за отсутствия якорей между семьями 12 и 15, карта с несколькими родителями была построена с приоритетом, отданным общему количеству маркеров. Группы сцепления, порядок маркеров и расстояния карты для каждой карты с несколькими родителями были рассчитаны, как описано выше для карт с одним родителем.
Ген-центромерный анализ:
Перед анализом каждый маркер оценивался на предмет отклонения от менделевских ожиданий с использованием теста отношения логарифмического правдоподобия (G-тест). Расстояние между маркером и центромерой ( d ) оценивали в рамках модели полного кроссинговера с d = y /2, где y — доля гетерозиготных генотипов в потомстве.Когда один и тот же маркер был информативным у обеих самок-доноров, использовали G-тест для проверки однородности расстояний между генами и центромерами между самками. По крайней мере, два рекомбинантных маркера на группу сцепления анализировали для определения ориентации хромосомы относительно центромеры. Предполагаемая область центромеры была аппроксимирована 95% доверительным интервалом самого проксимального маркера, следуя методу, описанному Danzmann and Gharbi (2001).
Различия в рекомбинации:
Уровни рекомбинации среди родителей сравнивались с использованием модуля RECOMDIF в LINKMFEX, который применяет двусторонний G-тест на случай непредвиденных обстоятельств к количеству родительских и рекомбинантных генотипов, унаследованных от каждого индивидуума в сравнении.Все анализы были выполнены с возможностью сравнения только соседних интервалов маркеров (см. Документацию LINKMFEX). Средние коэффициенты рекомбинации по всем смежным интервалам маркеров между двумя индивидуумами рассчитывались как соотношение между долей рекомбинантов в общих интервалах между родителями.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Статистика карт:
Основные статистические данные, рассчитанные для одиночных и многоплодных карт, сведены в Таблицу 1. В целом мы проанализировали 302 генетических маркера, большинство из которых (288) представляли собой микросателлитные повторы, выделенные от различных видов лососевых ( см. дополнительную таблицу S1 по адресу http: // www.genetics.org/supplemental/ для подробностей). Кроме того, мы также использовали данные сегрегации по 13 аллозимным маркерам и половому фенотипу. Большая часть картографической информации была получена из семей 12 и 15, с меньшей долей маркеров, генотипированных в семьях 14 и 17. Также из таблицы 1 видно, что карты сцепления, полученные от родителей-мужчин, содержали больше маркеров, чем их коллеги-женщины из-за более высокого уровня гетерозиготности. у гибридных самцов по сравнению с самками чистой линии (данные не показаны).
ТАБЛИЦА 1Сводка карт с одним и несколькими родителями
Всего у родителей было идентифицировано 37 классических групп сцепления (BT-01 – BT-37) (порог LOD = 4.0) как с индивидуальными, так и с половыми вариациями (Таблица 1). Внутри каждого пола в целом было хорошее согласие между количеством информативных маркеров и количеством групп сцепления, что, по сути, отражало различия в охвате генома у разных людей. Однако между полами различия в количестве групп сцепления в первую очередь определялись различиями в скорости рекомбинации. Таким образом, восемь групп сцепления (BT-01, BT-02, BT-04, BT-07, BT-14, BT-15, BT-16 и BT-18) были обнаружены как несколько сегментов карты у женщин, хотя встречались как единичный блок у самцов (рис. 1).Напротив, две небольшие группы сцепления на женской карте (BT-36 и BT-37) соответствовали несвязанным маркерам у родителей-мужчин. Кумулятивные расстояния по карте также варьировались от родителей: обычно более короткие карты у мужчин (44,6–261,7 см) и более широкий охват у женщин (146,6–604,5 см). Таким образом, карта, полученная от родителей-мужчин (346,4 см), была в ~ 2,5 раза короче, чем карта женщин (912,5 см). В целом восемь маркеров у обоих полов остались неназначенными ( BFRO7 , SSLEER15 , Omy108INRA , Strutta-11 / ii , sSOD-1 * , Ssa85NVH / iNVH / i и Т3-13 ).
Рисунок 1.—Карты сцепления по полу в геноме кумжи. Каждая группа сцепления (пронумерованные BT-01 – BT-37) представлена мужской (слева) и женской (справа) картой, полученной в результате совместного анализа данных о сегрегации в семьях 12, 14, 15 и 17. Латинские буквы ( I – V) в скобках с номерами групп сцепления обозначают группы псевдосвязей. Расстояния на карте указаны в сантиморганах слева от каждого интервала маркера (маркеры в нерекомбинантных интервалах показаны вдоль одной и той же вертикальной линии).Названия маркеров, выделенные курсивом, указывают на маркеры генов, включая микросателлиты типа I и аллозимы (показаны звездочкой). Верхний индекс «f» указывает маркеры каркаса, упорядоченные с высокой степенью достоверности (порог LOD = 3,0). Маркеры с несколькими копиями (обозначенные как «/ i», «/ ii» и «/ iii») в группах связей (за исключением предполагаемых тандемных дубликатов) выделены жирным шрифтом. Маркеры, используемые для ориентации групп сцепления относительно центромеры, обозначены верхним индексом «c», а положение центромер представлено 95% доверительными интервалами (сплошными сегментами) на женской карте.
Половое сцепление:
Определяющий пол локус ( SEX ) был ранее локализован в группе сцепления BT-28 вместе с семью микросателлитными маркерами (Woram et al. 2003). Текущая карта содержит один дополнительный сцепленный с полом маркер ( PGDH * ), расположенный в пределах 1,9 см от SEX (Рисунок 1).
Картирование центромер:
Расстояния между геном и центромерой были оценены для 49 микросателлитных маркеров, присвоенных карте самок (см. Дополнительную таблицу S2 на сайте http: // www.genetics.org/supplemental/) и используется для определения морфологии хромосом для 20 из 37 групп сцепления (рис. 1). В большинстве случаев предполагаемая область центромеры была приближена к дистальному концу группы сцепления, таким образом предполагая акроцентрические хромосомы для BT-02, BT-03, BT-06, BT-07, BT-08, BT-10, BT- 11, BT-19, BT-20, BT-22 – BT-24, BT-26 – BT-29 и BT-34. В трех случаях (BT-01, BT-04 и BT-12) центромера была внутренней по отношению к группе сцепления и поддерживала метацентрическую архитектуру для каждой из этих хромосом.
Скорости рекомбинации:
Значительные различия в скорости рекомбинации были обнаружены как внутри, так и между полами (Таблица 2). Среди родителей-женщин частота рекомбинации была значительно выше ( P <0,05) в семьях 12 и 17 по сравнению с семьями 14 и 15, соответственно. Однако эти результаты не могут быть репрезентативными для различий в масштабе генома, поскольку в каждом сравнении отбиралось только ограниченное количество интервалов карты ( n <20). Действительно, женщины-родители в семьях 12 и 15 показали широкий диапазон соотношений рекомбинации в группах сцепления (данные не показаны), хотя общие пропорции рекомбинантов были одинаковыми у обоих индивидов.У мужчин четыре из шести сравнений были статистически значимыми на уровне 5%, при этом самец семьи 15 постоянно демонстрировал более низкую рекомбинацию, чем три других мужчины (таблица 2). Кроме того, частота рекомбинации в целом была выше в семье из 12 мужчин, чем в семье из 17 мужчин, хотя эта разница была лишь незначительно значимой.
ТАБЛИЦА 2Парные сравнения скоростей рекомбинации между картированными родителями
Все 16 парных сравнений между родителями мужского и женского пола были высоко значимыми ( P <0.001) и отражали большие различия в скорости рекомбинации между полами (таблица 2). Во всех случаях родитель-самец показал меньшую рекомбинацию по сравнению с родителем-самкой. Во всех парных сравнениях ( n = 579) частота рекомбинации у женщин была в 6,4 раза выше, чем у мужчин. Однако половые различия не были последовательными по геному, и на самом деле мужская рекомбинация превосходила женскую рекомбинацию в 49 из 579 сравнений (хотя и не всегда значительно).Дальнейшие исследования показали, что всякий раз, когда были доступны расстояния между геном и центромерой (22 сравнения), интервалы маркеров, показывающие повышенную мужскую рекомбинацию, были локализованы в предполагаемых теломерных регионах (> 40 сМ от центромеры; данные не показаны). Например, Ssa2NVH , который был расположен в 48,7 сМ от центромеры в группе сцепления BT-01, не показал рекомбинации с Ssa23NVH на женской карте, в то время как два маркера находились на расстоянии 16,4 см друг от друга у самцов (Рисунок 1).Точно так же более высокая мужская рекомбинация на дистальных концах групп сцепления BT-07 ( Ssa16NUIG-Omy1INRA ) и BT-28 ( Omy10INRA — Ssa197 ) была связана с большими расстояниями между генами и центромерами для Ssa16NUIG (49,0 сМ). ) и Ssa197 (45,7 см) соответственно.
Нарушение сегрегации:
Возможные доказательства искажения сегрегации ( P <0,05 в одиночных G-тестах) наблюдались в общей сложности для 82 маркеров (22 группы сцепления) у родителей (см. Дополнительный рисунок S1 по адресу http: // www. .genetics.org/supplemental/ для получения подробных результатов для каждого человека). Когда значения P были скорректированы для нескольких тестов с использованием поправки типа Бонферрони, чтобы учесть количество групп сцепления, идентифицированных у каждого индивидуума, искажение сегрегации осталось статистически значимым для 12 маркеров. Семь из них были обнаружены в семье 14 самцов и локализованы в областях короткой карты в группах сцепления BT-01 ( Ssa2NVH и sAAT-1,2 * ) и BT-24 ( PuPuPy / ii , Ssa24NVH ). , SSLEEI84 / ii , Ssa88 / iiNVH и Str10 / iiINRA ).Еще четыре ( OmyOGT5 / iiTUF / ii , Ssa68 / iiNUIG , BFRO2 и Str1INRA ) были сгруппированы в пределах 2,1 см в группе сцепления BT-10 в семье из 17 мужчин. Наконец, высокое искажение сегрегации также было обнаружено на OMM1116 в семье 12 самцов, что может объяснить, почему этот маркер оставался несвязанным при пороге LOD 4.0.
Дублированные маркеры:
Всего 56 микросателлитных маркеров (24,8%) выявили пару полиморфных локусов в геноме кумжи.Дублирующиеся маркеры были обнаружены в 31 группе сцепления (таблица 3). Дублированные копии для Ssa289 (BT-06), One μ 1 (BT-15) и TF (BT-16) были тесно связаны в трех отдельных группах сцепления и поэтому интерпретировались как внутренние гомологии из-за к локальным событиям тандемного дублирования. Другие маркеры, однако, указывают на возможные области предковой гомологии между группами сцепления. Большинство групп сцепления разделяли предполагаемую гомологию с одной ( N = 18) или двумя ( N = 10) другими группами сцепления на текущей карте.Исключениями из этого общего паттерна были ВТ-12 и ВТ-24, которые показали гомологию маркеров с тремя разными группами сцепления. Десять консервативных синтенических блоков были идентифицированы между предполагаемыми гомеологичными регионами на основе совместной локализации множества дубликатов (Таблица 3). Кроме того, еще 10 пар групп сцепления показали гомологичное сродство на основе одной пары дубликатов, которые могут представлять дополнительные дублированные сегменты, унаследованные от тетраплоидного предка.
ТАБЛИЦА 3Предполагаемые гомологии между группами сцепления на основе общих маркеров
Интересно, что шесть микросателлитных маркеров (2.7%) обнаружил третий полиморфный локус в дополнение к предполагаемым гомеологам ( OmyFGT25TUF , OmyRGT40TUF , One μ 3 , Ssa29NVH , Ssa53NVH 9082 В большинстве случаев дополнительный локус демонстрировал отличительные размеры аллелей и паттерны амплификации, что позволяло различать первичные дубликаты (, то есть , дубликаты, предположительно полученные в результате тетраплоидизации у предка лососевых) от дополнительной копии (далее обозначаемой «/ iii»).В качестве альтернативы, первичные дубликаты были отделены от избыточной копии на основе предполагаемой гомеологии, поддерживаемой другими маркерами (Таблица 3).
Псевдосвязь:
Прямое доказательство псевдосвязи, о чем свидетельствует значительный избыток рекомбинантных генотипов, было получено из данных мужской рекомбинации в семьях 12 и 15 (таблица 4). Группы сцепления BT-04 / BT-34, BT-05 / BT-15 и BT-11/12 показали аффинность псевдосвязи (порог LOD = 4,0) у обоих самцов, в то время как BT-03 и BT-10 были псевдосвязанными в семье. Только 15 мужчин.Сходные результаты были получены в семьях 14 и 17 самцов, хотя в этом случае ассоциации псевдосвязи не были выведены напрямую из известных по фазе генотипов, а предположительно выведены из присвоения маркеров самцам семейств 12 и 15 (см. Материалы и методы). Кроме того, мы также обнаружили подозрительную псевдосвязь (3,0
Ассоциации псевдосвязных связей, обнаруженные у четырех самцов, использованных для построения карты
Межвидовые гомологии:
Сравнения механизмов сцепления с другими видами лососевых были выполнены на основе переменного количества маркеров привязки, идентифицированных в текущие карты для атлантического лосося ( N = 120), радужной форели ( N = 140) и арктического гольца ( N = 42). В целом, подборка картографической информации по видам (см. Дополнительную таблицу S3 на сайте http: // www.genetics.org/supplemental/) указали на 38, 47 и 30 возможных гомологий между группами сцепления у кумжи и каждого сравниваемого вида, соответственно. Однако, поскольку большое количество предполагаемых гомологий поддерживалось одним маркером, мы ограничили наш анализ фракцией групп сцепления, разделяющих по крайней мере два общих маркера (синтенические блоки), чтобы минимизировать ложные результаты из-за неправильного распределения гомологии. У атлантического лосося в общей сложности 25 синтенных блоков были идентифицированы с перекрестной гомологией у кумжи (рис. 2А).Во всех случаях, кроме одного, группы сцепления у кумжи имеют общие гомологические сегменты с одной группой сцепления на карте атлантического лосося. Единственным исключением была группа сцепления BT-04, которая показала синтенную гомологию как с AS-18, так и с AS-19. Напротив, группы сцепления у атлантического лосося ( N = 21) разделяют синтенический блок либо с одной ( N = 17), либо с двумя ( N = 4) группами сцепления у кумжи. Блоки синтения, обнаруженные у радужной форели ( N = 33), выявили в целом сходную картину с идентификацией гомологий по одной хромосоме для 25 из 29 групп сцепления, исследованных у кумжи (рис. 2B).Группами сцепления с множественной гомологией были BT-02, BT-04, BT-12 и BT-18, которые содержали гомологичные сегменты из RT-25 / RT-26, RT-14 / RT-24, RT-03 / RT-. 27 и РТ-02 / РТ-24 соответственно. В свою очередь, восемь групп сцепления радужной форели (RT-02, RT-03, RT-09, RT-16, RT-22, RT-24, RT-27 и RT-31) были гомологичны более чем одной группе сцепления. в форели. В арктическом гольце ограниченное количество якорных маркеров на текущей карте ограничивало сравнение только восемью синтеническими блоками, которые все включали одиночные группы сцепления (рис. 2С).
Рисунок 2.—Сохранение синтеновых блоков у кумжи и других видов лососевых. Каждая ячейка представляет собой попарное сравнение групп сцепления между кумжей (ряды) и одним из трех видов лососевых (столбцы), а именно атлантическим лососем (A), радужной форелью (B) и арктическим голецом (C). Группы сцепления пронумерованы в соответствии с номенклатурой, используемой в настоящее время для каждого вида (см. Материалы и методы). Твердые клетки указывают на сравнения, по крайней мере, с двумя общими маркерами между группами сцепления (синтенные гомологии).
ОБСУЖДЕНИЕ
Покрытие генома:
Составленная нами карта сцепления содержит всего 37 групп сцепления. Согласно большинству сообщений, кумжа имеет 80 хромосом в своем составе (Phillips and Ràb 2001), что позволяет предположить, что мы идентифицировали на три группы сцепления меньше, чем ожидалось. Однако мы не можем исключить возможность того, что некоторые хромосомы представлены более чем одной группой сцепления. В частности, BT-36 и BT-37 включают одну пару маркеров ( OMM1116 / OMM1090 и Ssa207NVH / OmyRGT9TUF соответственно), которые могут совпадать с дистальным концом более крупных групп сцепления.В самом деле, поскольку мужская рекомбинация, по-видимому, выше в теломерных областях по сравнению с женской рекомбинацией, отсутствие связи для двух пар маркеров на мужской карте может указывать на конечные маркерные интервалы на женской карте. Поскольку женские группы сцепления часто фрагментированы на несколько сегментов карты, возможно, что BT-36 и BT-37 представляют собой теломерные области хромосом, частично покрытые другими группами сцепления. Несмотря на это, мы считаем, что подавляющее большинство нынешних групп сцепления представляют разные хромосомы из-за общего отсутствия рекомбинации у родителей-мужчин и комплементарного характера динамики рекомбинации между полами ( i.е. , области с высокой рекомбинацией у мужчин, как правило, показывают более низкие скорости рекомбинации у женщин и наоборот). Кроме того, мы также уверены, что идентификация групп сцепления у самцов не была затруднена псевдосвязью, как предполагалось ранее для аналогичных исследований на других видах лососевых, где информация о фазах не была доступна (Sakamoto et al. 2000; Woram et al. 2004).
На основании наблюдения, что виды лососевых проявляют полное или почти полное перекрестное вмешательство во время мейоза самок, Young et al. (1998) подсчитал, что генетическая длина генома самки радужной форели должна составлять в общей сложности 2600 см (, т. Е. , 50 см × 52 плеча хромосомы, предполагая, что рекомбинация происходит только один раз на плечо хромосомы). Поскольку у кумжи 100–104 хромосомных плеч (Phillips and Ràb 2001), прогнозируемая общая длина генома самки у этого вида составляет 2500–2600 см, из которых 35–37% в настоящее время покрываются картой сцепления (912,5 см ). Поскольку уровни помех во время мейоза самцов в настоящее время неизвестны, предварительную оценку длины генома самцов можно получить из недавнего обновления карты радужной форели (Nichols et al. 2003), что представляет собой наиболее обширный на сегодняшний день охват генома лососевых (4590 сМ). Если предположить аналогичный размер у кумжи, текущая карта (346,4 сМ) может, таким образом, охватывать <10% генома самцов.
Половые различия в скорости рекомбинации:
Известно, что количественные различия в степени мейотической рекомбинации между самцами и самками имеют место у широкого круга организмов и имеют тенденцию следовать общей схеме, согласно которой рекомбинация снижается у гетерогаметного пола (Sakamoto и другие. 2000). Это согласуется с нашим наблюдением более высоких показателей рекомбинации у самок кумжи (общее соотношение составляет 6,4), поскольку пол определяется гетерогаметностью самцов у этого вида (Quillet et al. 1991). Фактически, мужская гетерогаметность является общим механизмом определения пола у лососевых (обзор приведен в Woram et al. 2003), и все виды, изученные до сих пор, демонстрируют заметное снижение рекомбинации в мужских гаметах (Johnson et al. 1987; Sakamoto). et al. 2000; Gilbey et al. 2004; Moen et al. 2004; Woram et al. 2004; Danzmann et al. 2005). Интересно, однако, что рекомбинация самок не всегда превышает рекомбинацию самцов, и было показано, что соотношения, специфичные для пола, обращаются в сторону теломерных областей как у радужной форели (Sakamoto et al. 2000), так и у кумжи (это исследование). Эти результаты напоминают паттерны рекомбинации по хромосомам человека, где перицентромерные области обычно показывают более высокие отношения генетической дистанции между мужчинами и женщинами, в то время как концы теломеров демонстрируют равную или большую мужскую рекомбинацию (Broman et al. 1998; Lynn et al. 2000; Kong et al. 2002). Однако у лососевых эта закономерность гораздо более выражена, чем в любых других исследованиях позвоночных животных до настоящего времени, что, как полагают, отражает структурные ограничения, налагаемые формированием поливалентных компонентов во время мейоза самцов (Johnson et al. 1987; Sakamoto et al. 2000).
Колебания коэффициентов рекомбинации по полу вдоль хромосомы у кумжи и других видов лососевых также поднимают вопрос о том, отражают ли текущие оценки фактические различия в общем числе кроссоверов или простые вариации в локализации хиазмы.Как обсуждалось выше, женская рекомбинация, как полагают, происходит со средней частотой одного кроссовера на плечо хромосомы. У мужчин разумно предположить, что по крайней мере один кроссовер на пару хромосом необходим для обеспечения надлежащей сегрегации (Hawley et al. 1994). При этих предположениях ожидается, что скорость рекомбинации, специфичной для пола, будет зависеть как от числа хромосомных плеч, так и от числа хромосом. Следовательно, у кумжи соотношение рекомбинации самок и самцов в масштабе генома должно быть порядка 1.2: 1 (50–52 хромосомных плеча / 40 хромосом) или меньше, если гомологичные пары испытывают более одного кроссовера у мужчин. У радужной форели должно наблюдаться несколько более высокое соотношение (1,6–1,8: 1), но все же не такое высокое, как текущие оценки. Одним из возможных объяснений этого очевидного противоречия может быть дифференциальное покрытие маркером мужского и женского геномов. Если мужская рекомбинация действительно ограничивается теломерными областями хромосом, возможно, что неполные карты сцепления могут отражать более высокую долю женских кроссоверов, чем мужские кроссоверы.Это, в свою очередь, привело бы к недооценке частоты кроссовера у мужчин по сравнению с женщинами и, следовательно, к искусственному завышению коэффициентов рекомбинации.
Эволюция гомеологичных хромосом:
Около 25% микросателлитных маркеров, используемых для построения карты, коамплифицировали два полиморфных локуса. Однако это, вероятно, недооценка скорости дупликации, поскольку потенциальные дубликаты только с одним полиморфным локусом оценивались как одиночные маркеры из-за сложности отличить мономорфные локусы от артефактов ПЦР.Перекрестная амплификация дублированных локусов с одним набором праймеров из ДНК лососевых обычно приписывается остаточной гомологии между наследственно дублированными участками хромосом (, например, , Sakamoto et al. 2000). Фактически, другие сценарии, такие как тандемное дублирование, транспозиция и сегментное дублирование, могут учитывать появление множественных копий последовательностей. Например, дубликаты копий для Ssa289 , One1 μ и TF более вероятно возникли в результате локальных событий тандемной дупликации, а не полиплоидии, поскольку между ними не наблюдалась рекомбинация.Происхождение тройных маркеров более неоднозначно, поскольку в их распределении не было очевидной четкой закономерности, и нам известны лишь несколько прецедентов у других видов лососевых (, например, , OMM1197 у радужной форели; Danzmann et al. 2005). Возможно, наиболее интригующим является отсутствие связи между Ssa29 / iiiNVH и Ssa53 / iiiNVH , тогда как первичные дубликаты этих маркеров отображены в одной и той же паре групп сцепления (BT-04 / BT-34). Это предполагает, что Ssa29 / iiiNVH и Ssa53 / iiiNVH возникли либо в результате событий независимой дупликации, либо в результате дупликации одного блока с последующей перестройкой хромосомы.В качестве альтернативы, каждый локус может встречаться на разных копиях участка ДНК, который многократно дублировался в ходе эволюции лососевых.
В дополнение к вышеупомянутым случаям мы обнаружили 53 пары повторяющихся микросателлитов, которые предположительно отражают гомеологические отношения между группами сцепления. В целом, установленные таким образом паттерны гомеологии в целом согласовывались с сохранением целых гомеологических ветвей, поскольку наблюдали, что несколько дублированных маркеров отображаются на одной и той же паре хромосомных плеч (см., Например, BT-03 / BT-10 и BT-11 / BT. -12).Однако мы также обнаружили механизмы связи, которые могут служить доказательством межручных обменов. Например, BT-12, по-видимому, представляет собой метацентрическую хромосому, содержащую гомеологичные маркеры по крайней мере из трех групп сцепления вместо ожидаемых двух после Робертсоновской транслокации (по одному на плечо хромосомы). При более внимательном рассмотрении это открытие, скорее всего, объясняется гомеологическим сродством, обеспечиваемым Str10INRA , который находится в проксимальной области хромосомного плеча, разделяя обширную гомеологию с BT-11 (Рисунок 1).Вторая копия Str10INRA была отнесена к группе сцепления BT-24 (хотя и не показана на фиг. 1 из-за неоднозначного порядка маркеров), которая в остальном включает гомеологичные области из BT-04 и BT-18. Взятые вместе, эти результаты показывают, что гомеологичные копии относительно небольшого сегмента хромосомы, окружающего Str10INRA , могли быть перемещены как в BT-12, так и в BT-24 из других групп сцепления в геноме. Подтверждающие доказательства межрукавных транслокаций также могут быть получены из акроцентрической хромосомы, относящейся к BT-19, которая, по-видимому, представляет собой мозаику по крайней мере двух предковых ветвей.Хотя необходимо дальнейшее подтверждение, текущее расположение маркеров действительно предполагает, что проксимальная область BT-19 ( Omy27INRA — Ssa22NVH ) гомеологична группе сцепления BT-18, в то время как ее дистальный конец ( SSLEET47 ) может иметь короткий гомеологический сегмент с BT-09.
Остаточная тетрасомия:
Согласно May and Johnson (1990), у лососевых было зарегистрировано по крайней мере шесть групп псевдозвязки, хотя неясно, все ли шесть комбинаций встречаются у каждого вида.Таким образом, мы можем только предположить, что текущая карта кумжи может иметь на одну группу псевдопривязок меньше, чем ожидалось. Однако, за исключением группы I с псевдосвязью (см. Результаты), дальнейшее исследование наших результатов в отношении компиляции May and Johnson (1990), к сожалению, было невозможно из-за отсутствия общих маркеров между двумя исследованиями. Совсем недавно Sakamoto et al. (2000) интерпретировал очевидную связь между OmyRT10 / iTUF и OmyRT10 / iiTUF в радужной форели как свидетельство псевдосвязи между RT-12 и RT-16 (ранее известные как группы сцепления Fi и Fii, соответственно).Это согласуется с отнесением дубликатов OmyRT10TUF к группе псевдосвязей, состоящей из BT-03 и BT-10 у кумжи, наряду с другими синтеническими маркерами из RT-12 и RT-16 (рис. 2). Точно так же и тот факт, что Gilbey et al. (2004) обнаруженная псевдосвязь между микросателлитным маркером ( SSLEEN17 ) и SEX у атлантического лосося может коррелировать с доказательствами перекрестной гомологии между группой сцепления по полу у этого вида (AS-01) и BT-11 у кумжи. (Фигура 2).Поскольку группа сцепления AS-01 имеет обширную гомеологию с AS-12 (Danzmann et al .2005), которая сама содержит синтенический блок из BT-12 (рис. 2), действительно возникает соблазн предположить, что ассоциация псевдосвязи, идентифицированная Gilbey et al. (2004) представляет атлантического лосося аналог сродства между BT-11 и BT-12.
Райт и др. (1983) предложил общую модель псевдосвязи у видов лососевых, где продуцирование избыточных рекомбинантов определяется предпочтительным спариванием и альтернативным разъединением гомеологичных хромосом у самцов гибридного происхождения.В частности, модель постулирует, что акроцентрические-метацентрические пары хромосом с общими гомеологическими ответвлениями образуют стержневые тетраваленты, в которых гомеологи, происходящие от одного и того же родителя, обнаруживают большее сродство к спариванию и направляются к противоположным полюсам, таким образом вызывая передачу рекомбинантных типов потомства в количестве, превышающем родительские. В расширении этой модели Аллендорф и Торгаард (1984) изменили предыдущие предположения, чтобы учесть другие категории мультивалентностей без ограничений на архитектуру хромосом.У кумжи четырехвалентные удочки, как сообщается, являются единственным типом гомеологичных пар, наблюдаемых при мейозе (Wright et al. 1983), и расположение псевдосвязей, выявленных у этого вида, в значительной степени согласуется с Wright et al. (1983) предсказания. Наиболее показательный пример — это BT-11 и BT-12, которые четко представляют пару акроцентрических и метацентрических хромосом, разделяющих обширную гомеологию руки (Рисунок 1). Сродство псевдосвязи, проявляемое BT-01 / BT-08 и BT-04 / BT-34, похоже, следует той же схеме, хотя предполагаемые метацентрики (BT-01 и BT-04) по-прежнему разбиты на несколько фрагментов.Аналогичный вывод можно сделать и для BT-05 / BT-15, пока не будет решена морфология этих хромосом. Однако случай BT-03 / BT-10 может не соответствовать Wright et al. (1983), потому что обе группы сцепления в настоящее время классифицируются как акроцентрики.
Хромосомная эволюция между видами:
Межвидовые сравнения показали, что синтенные области у кумжи обычно сохраняются у атлантического лосося, радужной форели и, в меньшей степени, у арктического голца.Если Робертсоновские транслокации были преобладающим способом перестройки хромосом, связанной с дивергенцией видов (см. Введение), то можно было бы ожидать, что большинство хромосом содержат синтенические блоки от одного или двух гомологов, в зависимости от архитектуры хромосомы (, т. Е. , акроцентрические и метацентрические, соответственно). Кроме того, поскольку хромосомы кумжи в основном имеют акроцентрическую структуру, ожидается, что перекрестная гомология с этим видом в первую очередь связана с отдельными хромосомными плечами.Действительно, мы обнаружили только четыре группы сцепления (BT-02, BT-04, BT-12 и BT-18) с множественными гомологичными сегментами у разных видов. Как обсуждалось ранее, BT-04 и BT-12 были отнесены к метацентрическим хромосомам, и мы также нашли предварительные доказательства того, что BT-18 имеет два хромосомных плеча (наши неопубликованные данные). Однако случай BT-02 необычен тем, что две разные области генома радужной форели соответствуют одному и тому же плечу хромосомы у кумжи. При более внимательном изучении сравнительных карт мы определили, что большая часть BT-02 от центромеры ( MST-542 ) до Ssa35NVH гомологична RT-25, в то время как дистальный конец включает три маркера, которые в настоящее время приписываются RT-26. в радужной форели ( Ssa79NVH , SSOSL32 и OmyFGT24 / iiTUF ).Если, как мы полагаем, RT-25 и RT-26 действительно представляют разные хромосомы, по крайней мере, два сценария могут объяснить этот паттерн. В первом сценарии Ssa79NVH , SSOSL32 и OmyFGT24 / iiTUF могли быть перемещены на теломерный конец BT-02 после транслокации короткого сегмента хромосомы от еще не идентифицированного гомолога RT- 26 в коричневой форели. Второй сценарий основан на наблюдении, что кумжа имеет два больших хромосомных плеча в своем кариотипе, которые предположительно эволюционировали в результате тандемных слияний или перицентрических инверсий после расхождения с линией радужной форели (Hartley 1987).Следовательно, возможно, что паттерны перекрестной гомологии, обнаруженные с помощью BT-02, отражают одно из этих составных плеч хромосомы, хотя мы признаем, что для подтверждения этой гипотезы необходимы дополнительные маркеры.
Поскольку у радужной форели больше метацентрических, чем акроцентрических хромосом, мы ожидали, что большинство групп сцепления у этого вида будут иметь синтенные гомологии с двумя отдельными хромосомами у кумжи. На практике мы обнаружили лишь меньшинство таких групп сцепления (8/24 сравнения), что, скорее всего, объясняется недостаточным количеством общих маркеров и консервативной оценкой межвидовой гомологии.Тем не менее, тот факт, что эти группы сцепления в настоящее время распознаются как метацентрические хромосомы у радужной форели (Danzmann et al. 2005), согласуется с возникновением Робертсоновских транслокаций после дивергенции видов. Точно так же четыре группы сцепления у атлантического лосося содержали гомологичные сегменты из более чем одной области хромосомы у кумжи (AS-02, AS-08, AS-11 и AS-25) и, следовательно, могут служить дополнительными примерами Робертсоновских слияний. Однако, поскольку центромеры еще не локализованы у этого вида, нельзя исключить, что одна или несколько из этих групп сцепления на самом деле являются репрезентативными для больших плеч хромосом, которые, как известно, встречаются у этого вида (Hartley 1987).
Несмотря на возможность Робертсоновских транслокаций и других форм перестройки хромосом, мы также нашли доказательства того, что некоторые комбинации плеч могут сохраняться у разных видов. Например, тот факт, что маркеры, лежащие поперек центромеры BT-01, являются синтеничными на AS-06 у атлантического лосося, RT-29 у радужной форели и AC-01 у арктического голца (подробности см. В дополнительной таблице S3 по адресу http: / /www.genetics.org/supplemental/) указывает на то, что все четыре вида могли унаследовать одну и ту же метацентрическую хромосому от общего предка до расхождения родов Oncorhynchus, Salmo и Salvelinus.Другой случай сохранения сцепления по центромере включает BT-12 у кумжи и AS-12 у атлантического лосося, которые, по-видимому, представляют одну и ту же пару хромосомных плеч (см. Дополнительную таблицу S3 на http://www.genetics.org/supplemental/ ). Интересно, что мы также обнаружили, что микросателлитные маркеры, расположенные рядом с центромерой у кумжи, имеют небольшие расстояния между геном и центромерой у атлантического лосося (наши неопубликованные результаты), что указывает на то, что мы, скорее всего, идентифицировали консервативную метацентрическую хромосому.Однако тот факт, что хромосомные ветви, объединенные в BT-12, были отнесены к разным группам сцепления у радужной форели (RT-03 и RT-27 соответственно), предполагает либо робертсоновскую транслокацию, специфичную для вида Salmo, либо вторичную перестройку в линии Oncorhynchus. . Поскольку в настоящее время у арктического гольца (AC-06) идентифицировано только одно из двух хромосомных плеч, потребуются дополнительные якорные маркеры, чтобы различать эти два сценария.
Благодарности
Мы благодарим Мартин Андриамангу, Сандрин Анн и Ванессу Руо за техническую помощь; Стефан Могер за тестирование флуоресцентных праймеров на кумже; Томасу Шиксу, Патрику Шабрие и Мартину Буше за помощь с КАРТАГЕНОМ; Мэтью Каучман за помощь с GRIDMAP; а также двух анонимных рецензентов и Барбару Мейбл за полезные комментарии к предыдущим версиям рукописи.Это исследование финансировалось Программой Европейского Союза по исследованиям в области рыболовства, сельского хозяйства и агропромышленных исследований (CT96-1591: SALMAP) и Национальным институтом агрономических исследований.
Сноски
↵2 Текущий адрес: Phytopathologie et Méthodologies de la Détection de Versailles, INRA, Versailles, 78026, France.
Ответственный редактор: Д. Чарльзуорт
- Получено 14 июля 2005 г.
- Принято 24 января 2006 г.
- Авторские права © 2006 Американского генетического общества
Ссылки
- ↵
Аллендорф, Ф. В. и Р. Г. Данцманн, 1997 Вторичная тетрасомная сегрегация MDH-B и предпочтительное сочетание гомеологов у радужной форели. Генетика 145 : 1083–1092.
- ↵
Аллендорф, Ф. В., и Г. Х. Торгаард, 1984 Тетраплоидия и эволюция лососевых рыб, стр. 1–46 в Evolutionary Genetics of Fishes , под редакцией Б.Дж. Тернер. Пленум Пресс, Нью-Йорк.
- ↵
Allendorf, FW, FM Utter and BP May, 1975 Дупликация генов в семействе Salmonidae: обнаружение и определение генетического контроля повторяющихся локусов посредством исследований наследования и изучения популяций, стр. 415–431 в Изоферменты, Vol. IV: Генетика и эволюция , под редакцией К. Л. Маркерта. Academic Press, Нью-Йорк.
- ↵
Аллендорф, Ф. В., Дж. Э. Сиб, К.Л. Кнудсен, Г. Х. Торгаард и Р. Ф. Лири, 1986 Гено-центромерное картирование 25 локусов у радужной форели. J. Hered. 77 : 307–312.
- ↵
Броман, К. В., Дж. К. Мюррей, В. К. Шеффилд, Р. Л. Уайт и Дж. Л. Вебер, 1998 Всеобъемлющие генетические карты человека: индивидуальные и специфичные для пола вариации в рекомбинации. Являюсь. J. Hum. Genet. 63 : 861–869.
- ↵
Chourrout, D., 1980 Термическая индукция диплоидного гиногенеза и триплоидии в икре радужной форели ( Salmo gairdneri Richardson).Репродукция. Nutr. Dev. 20 : 727–733.
- ↵
Данцманн, Р. Г., и К. Гарби, 2001 Картирование генов у рыб: средство для достижения цели. Genetica 111 : 3–23.
- ↵
Данцманн, Р. Г., М. Кэрни, М. М. Фергюсон, К. Гарби, Р. Гайомар и др. , 2005 Сравнительный анализ генома радужной форели с двумя другими видами рыб (арктический голец и атлантический лосось) в семействе тетраплоидных производных Salmonidae (подсемейство: Salmoninae).Геном 48 : 1037–1051.
- ↵
Дэвиссон М. Т., Дж. Э. Райт младший и Л. М. Атертон, 1973 г. Цитогенетический анализ псевдосвязи локусов LDH в костистых животных рода Salvelinus. Генетика 73 : 645–658.
- ↵
de Givry, S., M. Bouchez, P. Chabrier, D. Milan and T. Schiex, 2005 CARTHAGENE: многопопуляционное интегрированное генетическое и радиационное гибридное картирование. Биоинформатика 21 : 1703–1704.
- ↵
Estoup, A., P. Presa, F. Krieg, D. Vaiman и R. Guyomard, 1993 (CT) n и (GT) n микросателлиты: новый класс генетических маркеров для Salmo trutta L. (кумжа). Наследственность 71 : 488–496.
- ↵
Gilbey, J., E. Verspoor, A. McLay и D. Houlihan, 2004 Карта микросателлитных связей для атлантического лосося ( Salmo salar ). Anim. Genet. 35 : 98–105.
- ↵
Giuffra, E., R. Guyomard и G. Forneris, 1996 Филогенетические отношения и паттерны интрогрессии между зарождающимися парапатрическими видами итальянской кумжи, Salmo trutta L.Мол. Ecol. 5 : 207–220.
- ↵
Guyomard, R., 1986 Сегрегация генов у гиногенетической кумжи ( Salmo trutta L.): систематически высокие частоты постредукции. Genet. Sel. Evol. 18 : 385–392.
- ↵
Хартли, С. Э., 1987 Хромосомы лососевых рыб. Биол. Rev. 62 : 197–214.
- ↵
Хоули Р. С., Дж. А. Фрейзер и Р. Расули, 1994 Разделительная тревога: этиология нерасхождения у мух и людей.Гм. Мол. Genet. 3 : 1521–1528.
- ↵
Джексон, Т. Р., М. М. Фергюсон, Р. Г. Данцманн, А. Г. Фишбэк, П. Е. Ихссен и др. , 1998 Идентификация двух QTL, влияющих на толерантность к верхним температурам, у трех полусибских семейств радужной форели ( Oncorhynchus mykiss ). Наследственность 80 : 143–151.
- ↵
Джонсон, К. Р., Дж. Э. Райт, мл. И Б. Май, 1987 г. Отношения сцепления, отражающие предковую тетраплоидию у лососевых рыб.Генетика 116 : 579–591.
- ↵
Kong, A., D. F. Gudbjartsson, J. Sainz, G. M. Jonsdottir, S. A. Gudjonsson et al. , 2002 Рекомбинационная карта генома человека с высоким разрешением. Nat. Genet. 31 : 241–247.
- ↵
Krieg, F., and R. Guyomard, 1985 Популяционная генетика французской кумжи ( Salmo trutta L.): большая географическая дифференциация диких популяций и высокое сходство домашних популяций.Genet. Sel. Evol. 17 : 225–242.
- ↵
Lynn, A., C. Kashuk, M. B. Petersen, J. A. Bailey, D. R. Cox et al. , 2000 Паттерны мейотической рекомбинации на длинном плече 21 хромосомы человека. Genome Res. 10 : 1319–1332.
- ↵
Мэй Б. и К. Р. Джонсон, 1990 Синтетическая карта сцепления лососевых рыб, стр. 4.151–4.159 в Genetic Maps of Complex Genomes , Vol. 5, под редакцией С. Дж. О’Брайена.Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк.
- ↵
Moen, T., B. Høyheim, H. Munck и L. Gomez-Raya, 2004 Карта связей атлантического лосося ( Salmo salar ) показывает необычно большую разницу в скорости рекомбинации между полами. . Anim. Genet. 35 : 81–92.
- ↵
Morisson, W. J., 1970 Неслучайная сегрегация двух локусов субъединицы лактатдегидрогеназы у форели. Пер. Являюсь. Рыба. Soc. 1 : 193–206.
- ↵
Николс, К. М., У. П. Янг, Р. Г. Данцманн, Б. Д. Робисон, К. Рексроад и др. , 2003 Сводная карта привязок радужной форели ( Oncorhynchus mykiss ). Anim. Genet. 34 : 102–115.
- ↵
Оно, С., У. Вольф и Н. Б. Аткин, 1968 г. Эволюция от рыб до млекопитающих путем дупликации генов. Hereditas 59 : 169–187.
- ↵
О’Мэлли, К. Г., Т. Сакамото, Р.Г. Данцманн и М. М. Фергюсон, 2003 г. Локусы количественных признаков для времени нереста и массы тела у радужной форели: тестирование сохраняющихся эффектов в наследственно дублированных хромосомах. J. Hered. 94 : 273–284.
- ↵
Филлипс Р. и П. Раб, 2001 Хромосомная эволюция у лососевых (Рыб): обновленная информация. Биол. Преподобный Камб. Филос. Soc. 76 : 1-25.
- ↵
Quillet, E., L. Foisil, B. Chevassus, D. Chourrout и F.G. Liu, 1991 Производство всех триплоидных и полностью самок кумжи для аквакультуры. Акват. Живой ресурс. 4 : 27–32.
- ↵
Сакамото, Т., Р. Г. Данцманн, К. Гарби, П. Ховард, А. Одзаки и др. , 2000 Карта микросателлитных связей радужной форели ( Oncorhynchus mykiss ), характеризующейся большими половозависимыми различиями в скорости рекомбинации. Генетика 155 : 1331–1345.
- ↵
Сокаль, р.R., and J. F. Rohlf, 1995 Biometry , Ed. 3. У. Х. Фриман, Нью-Йорк.
- ↵
Свардсон, Г., 1945 Хромосомные исследования лососевых. Респ. Шведский государственный институт Пресноводная рыба. Res. 23 : 1–151.
- ↵
Voorrips, R.E., 2002 Mapchart: программное обеспечение для графического представления карт связей и QTL. J. Hered. 93 : 77–78.
- ↵
Ворам, Р. А., К. Макгоуэн, Дж. А. Стаут, К.Gharbi, M. M. Ferguson et al. , 2004 Карта генетического сцепления арктического гольца ( Salvelinus alpinus ): свидетельства более высоких скоростей рекомбинации и искажения сегрегации у гибридов по сравнению с родителями, картирующими чистые штаммы. Геном 47 : 304–315.
- ↵
Woram, R.A., K. Gharbi, T. Sakamoto, B. Høyheim, L.-E. Holm et al. , 2003 Сравнительный анализ генома первичного локуса, определяющего пол, у лососевых рыб. Genome Res. 13 : 272–280.
- ↵
Райт, младший, Дж. Э., К. Джонсон, А. Холлистер и Б. Мэй, 1983 Мейотические модели для объяснения классического сцепления, псевдосвязи и спаривания хромосом в геномах тетраплоидных производных лососевых. Изоферменты Curr. Верхний. Биол. Med. Res. 10 : 239–260.
- ↵
Янг, У. П., П. А. Уиллер, В. Х. Кориелл, П. Кейм и Г. Х. Торгаард, 1998 Подробная карта связей радужной форели, полученной с использованием удвоенных гаплоидов. Генетика 148 : 839–850.
Сколько хромосом у костистых рыб? — Mvorganizing.org
Сколько хромосом у костистой рыбы?
Геномnigroviridis выявил основную структуру генома предковых костных позвоночных, который состоял из 12 хромосом, и позволил реконструировать многие хромосомные перестройки, которые привели к современному кариотипу человека (Jaillon et al, 2004).
Сколько хромосом у лосося?
Европейский атлантический лосось обычно имеет 29 пар хромосом и 74 хромосомных плеча [20], тогда как сообщалось, что североамериканский атлантический лосось имеет 27 хромосомных пар и NF 72 [21].
У какого животного 32 хромосомы?
Американский барсук
Сколько хромосом у рыбы тилапии?
Эти генетические карты установили 24 группы сцепления, хотя кариотип тилапии состоит всего из 22 пар хромосом [16].
Сколько хромосом у обезьян?
48 хромосом
Почему у обезьян больше хромосом, чем у людей?
У них разное количество хромосом только потому, что одна из хромосом человека по существу такая же, как две хромосомы шимпанзе.В любом случае это объясняет, почему у шимпанзе на две хромосомы больше, чем у человека. Все это говорит о том, что у шимпанзе и человека одинаковое количество генов.
Может ли человек иметь 48 хромосом?
Следовательно, люди с XXYY генотипически являются мужчинами. Мужчины с синдромом XXYY имеют 48 хромосом вместо типичных 46. Вот почему синдром XXYY иногда обозначается как 48, синдром XXYY или 48, XXYY. По оценкам, он поражает одного из каждых 18 000–40 000 новорожденных мальчиков.
Что произойдет, если у человека 24 хромосомы?
Секвенирование всех 24 хромосом человека выявляет редкие нарушения.Распространение неинвазивного пренатального скрининга на все 24 хромосомы человека может выявить генетические нарушения, которые могут объяснить выкидыш и аномалии во время беременности, согласно исследованию, проведенному исследователями из Национального института здравоохранения и других учреждений.
Что будет, если у вас 22 хромосомы?
Другие изменения числа или структуры хромосомы 22 могут иметь различные эффекты. Умственная отсталость, задержка развития, задержка или отсутствие речи, характерные черты лица и поведенческие проблемы являются общими чертами.
Что будет, если у вас 47 хромосом?
Трисомия — хромосомное заболевание, характеризующееся наличием дополнительной хромосомы. У человека с трисомией 47 хромосом вместо 46. Синдром Дауна, синдром Эдварда и синдром Патау являются наиболее распространенными формами трисомии.
Может ли человек иметь 22 хромосомы?
Обычно люди имеют две копии 22-й хромосомы в каждой клетке. Хромосома 22 — вторая по величине хромосома человека, охватывающая около 49 миллионов пар оснований ДНК и представляющая от 1 до 1.5 и 2% общей ДНК в клетках….
| Хромосома 22 | |
|---|---|
| Entrez | Хромосома 22 |
| NCBI | Хромосома 22 |
| UCSC | Хромосома 22 |
| Полные последовательности ДНК | |
Что произойдет, если у человека 48 хромосом?
48, XXYY синдром — это хромосомное заболевание, которое вызывает бесплодие, нарушения развития и поведения, а также другие проблемы со здоровьем у мужчин.48, XXYY нарушает мужское половое развитие.
Что будет, если у вас 44 хромосомы?
Если эта хромосома не X, Y или номер 21, обычным результатом является выкидыш или рождение с серьезными проблемами. В этом случае это почти наверняка приведет к выкидышу. Фактически, семья мужчины с 44 хромосомами имеет долгую историю выкидышей и самопроизвольных абортов.
Что произойдет, если у вас будет 2 лишних хромосомы?
Клетки с одним дополнительным набором хромосом, всего 69 хромосом, называются триплоидными.Клетки с двумя дополнительными наборами хромосом, всего 92 хромосомами, называются тетраплоидными. Состояние, при котором каждая клетка тела имеет дополнительный набор хромосом, несовместимо с жизнью.
МОЖЕТ ЛИ ХХY иметь детей?
Вполне возможно, что мужчина XXY может забеременеть естественным путем. Хотя сперматозоиды обнаруживаются более чем у 50% мужчин с KS3, низкое производство спермы может очень затруднить зачатие.
границ | Аутосомные sdY-псевдогены объясняют несоответствия между фенотипическим полом и ДНК-маркером для определения пола у атлантического лосося
Введение
Большинство эукариотических организмов размножаются половым путем, однако природа половой системы и механизм определения пола часто заметно различаются даже среди близкородственных видов (Ashman et al., 2014; Pennell et al., 2018). Это особенно верно для костистых особей, у которых одни виды демонстрируют генетическое определение пола, другие — определение пола в окружающей среде, а другие — смесь того и другого (Heule et al., 2014). Более того, гетерогаметные системы как для самцов (самки XX и самцы XY), так и для самок (самцы ZZ и самки ZW) обнаруживаются даже у близкородственных видов тилапий (Cnaani et al., 2008) или колюшки (Ross et al., 2009). .
Атлантический лосось ( Salmo salar ) — проходная рыба, обитающая в ручьях умеренного пояса в Северной Атлантике.Он принадлежит к семейству Salmonidae, которое включает несколько видов из 11 родов, включая лосося, форель, гольца, пресноводных сигов, ряпушек и хариуса. В глобальном масштабе атлантический лосось представляет собой один из наиболее экономически значимых и знаковых видов, обеспечивающий обширный отдых при рыбалке, большое производство аквакультуры и символизирующий здоровые экосистемы в реках, в которых он обитает. Как следствие, это также одна из наиболее тщательно изученных рыб. У предка атлантического лосося произошла дупликация всего генома примерно 88–103 миллионов лет назад (Macqueen and Johnston, 2014), и сейчас он находится в процессе редиплоидизации.В результате этого процесса геном атлантического лосося состоит из множества паралогов (Lien et al., 2016), которые в принципе могут диверсифицироваться (Kjaerner-Semb et al., 2016) и приобретать новые функции, как это наблюдалось у других видов. отображение дублированных геномов (Qian and Zhang, 2014). Интересно, что присутствие мобильных элементов, обнаруженных в геноме, является одним из самых высоких, обнаруженных у позвоночных (Lien et al., 2016).
Главный ген, определяющий пол (MSD) у лососевых, имеет половой диморфизм на Y-хромсоме ( sdY ) и впервые был обнаружен у радужной форели ( Oncorhynchus mykiss ) (Yano et al., 2012, 2013). Открытие sdY и последующая разработка молекулярных тестов для быстрого генетического определения пола открыли новые возможности. Например, для определения генетического пола у взрослых, которые не были фенотипированы, использовались анализы, которые впоследствии использовались для исследований, специфичных для пола, таких как изучение генетической основы возраста наступления зрелости (Ayllon et al., 2015; Barson et al., 2015 ; Kusche et al., 2017; Ayllon et al., 2019). Однако в нескольких исследованиях сообщалось о несоответствии между фенотипическим полом и полом sdY в семействе Salmonidae (Eisbrenner et al., 2014; Cavileer et al., 2015; Ларсон и др., 2016; Подлесных и др., 2017). Несоответствие между ДНК-маркерами пола и фенотипического пола не является редкостью для рыб и типично для видов, демонстрирующих сочетание генетического и экологического определения пола (Hattori et al., 2019). Тем не менее, определение пола в окружающей среде не описано в семействе Salmonidae, и было выдвинуто несколько альтернативных теорий этого несоответствия, включая ошибки фенотипирования (Yano et al., 2013; Eysturskar et al., 2017), смена пола (Nagler et al., 2001; Williamson and May, 2002; Metcalf and Gemmell, 2006), потеря функции генов (Podlesnykh et al., 2017) или дозовые эффекты (Brown et al., 2020 ) среди других (Guyomard et al., 2014; Larson et al., 2016; King and Stevens, 2020). Тем не менее механизмы, лежащие в основе этого несоответствия, до сих пор неясны. Сложность ситуации усугубляет тот факт, что sdY был нанесен на карту в разных областях генома у различных видов лососевых, но также и внутри одного и того же вида, что позволяет предположить, что он перемещается в новое место либо во время видообразования. (Phillips, 2013) или совсем недавно внутри видов (Kijas et al., 2018). В частности, у атлантического лосося sdY был сопоставлен с хромосомами Ssa02, Ssa03, Ssa06 и, возможно, Ssa21 (Eisbrenner et al., 2014; Lubieniecki et al., 2015; Kijas et al., 2018; Gabian et al., 2019 ), что свидетельствует о его транспозиционной способности (Lubieniecki et al., 2015).
В этом исследовании мы определили, почему присутствие sdY не всегда коррелирует с самцом у атлантического лосося. Сначала мы задались вопросом, может ли наблюдаемое несоответствие быть связано с нефункциональными копиями sdY в геноме.После этого мы ответили на этот вопрос, количественно определив несколько sdY копий в геноме с помощью кПЦР на геномной ДНК 2025 точно фенотипированных атлантических лососей, происходящих из 64 семейств одомашненного, F1-гибридного и дикого происхождения. Таким образом, мы демонстрируем, что ген sdY имеет нечастую нефункциональную копию в геноме, что согласуется с аутосомным наследованием, что объясняет наблюдаемое несоответствие у самок атлантического лосося.
Материалы и методы
Экспериментальные кресты
За последнее десятилетие мы провели ряд племенных контролируемых исследований экспериментальной популяции нескольких поколений одомашненного и дикого атлантического лосося и их помесей на предприятии аквакультуры, принадлежащем Институту морских исследований, расположенном в Матре, западная Норвегия ( Solberg et al., 2013, 2014; Ayllon et al., 2015; Харви и др., 2016, 2018; Гловер и др., 2018, 2020; Перри и др., 2019; Besnier et al., 2020). Читателю предлагается ознакомиться с этими публикациями для получения полной информации о стандартных условиях выращивания на этой рыбной ферме. В настоящем исследовании мы получили в общей сложности 29 (F1-C2011) и 39 (F1-C2012) экспериментальных семейств в 2011 и 2012 годах соответственно. Эти семейства произошли от одомашненного штамма Mowi (13 семейств), дикой популяции Фигджо (14 семейств), реципрокных F1-гибридов между Mowi и Figgjo (24 семейства), дикой популяции Vosso (7 семейств) и дикой популяции Арна ( 6 семей).Подробные сведения об этих экспериментальных скрещиваниях и фоне исходных популяций доступны в другом месте (Solberg et al., 2014).
После оплодотворения в 2010 и 2011 годах яйца инкубировали в односемейных контейнерах до стадии «глазки», когда они были смешаны в экспериментах в обычном саду для изучения ряда фенотипических признаков (данные здесь не используются). Этих рыб сначала выращивали до смолтификации в пресноводных водоемах в возрасте 1+, когда 2000 (F1-C2011) и 2400 (F1-2012) особей были помечены PIT и взяты образцы ДНК, а затем переведены в морские садки, где их выращивали до тех пор, пока они не созреют после далее 1–3 года.Семьи, состоящие из менее чем 10 человек по достижении зрелости, отбрасывались. После созревания фенотипический пол 2025 особей из 64 семей был точно зарегистрирован путем вскрытия, что дало в общей сложности 1048 и 977 фенотипически подтвержденных мужчин и женщин, соответственно.
Генетический анализ — микросателлиты и SNP
Общая ДНКот всех потомков и родителей была очищена с использованием набора Qiagen DNeasy Blood & Tissue Kit (Qiagen, Hilden, Германия) в соответствии с рекомендациями производителя.Тестирование происхождения микросателлитной ДНК использовалось для определения родословной всех лиц, использованных в этом исследовании, с использованием метода исключения, реализованного в FAP (Taggart, 2007) с использованием шести микросателлитов. Следуя вышеупомянутой процедуре, 97–99% потомков однозначно были отнесены к своей семье происхождения. Лаборатория, проводящая эти анализы, имеет обширный опыт в проверке происхождения ДНК (Solberg et al., 2013, 2014; Harvey et al., 2016, 2018; Glover et al., 2018), а также полную информацию об используемых маркерах и их амплификации. условия доступны в этих предыдущих исследованиях.
В дополнение к микросателлитам, набор из 116 распределенных по всему геному SNP был генотипирован у всех потомков и родителей с целью картирования сцепления (см. Ниже). Этот анализ был выполнен на анализаторе MassARRAY Analyzer 4 от Agena Bioscience TM в соответствии с инструкциями производителя. Окончательный набор данных для картирования включал 109 распределенных по всему геному SNP после удаления тех, которые демонстрируют плохое покрытие и кластеризацию. Список SNP доступен в другом месте (Besnier et al., 2015, 2020), а их геномное расположение можно найти в статье, описывающей карту сцепления атлантического лосося (Lien et al., 2011).
На основе ПЦР
SDY ТестыНаличие / отсутствие sdY было подтверждено с помощью методологии на основе ПЦР, направленной на обнаружение присутствия гена sdY (Yano et al., 2012; Eisbrenner et al., 2014). Лица, демонстрирующие ампликоны экзона 2 и 4, были обозначены как мужчины. В качестве положительного контроля ПЦР и для определения видов мы использовали присутствие гена 5S рРНК (Pendas et al., 1995). ПЦР-амплификации проводили с использованием реакционных смесей, содержащих примерно 50 нг экстрагированной ДНК атлантического лосося, 10 нМ Трис-HCl pH 8,8, 1,5 мМ MgCl2, 50 мМ KCl, 0,1% Тритон X-100, 0,35 мкМ каждого праймера, 0,5 единиц ДНК. Полимераза Taq (Promega, Мэдисон, Висконсин, США) и 250 мкМ каждого dNTP в конечном объеме 20 мкл. Продукты ПЦР визуализировали в 3% агарозных гелях.
Методология количественной ПЦР (qPCR) была разработана для количественного определения количества имеющихся копий, похожих на sdY . gapdh , sdY экзон 2 и sdY экзон 4 были мультиплексированы с использованием 5’-меченых зондов (дополнительная таблица 1). Локус gapdh использовали в качестве внутреннего положительного контроля (IPC) и эталонного гена для оценки значений кратного изменения (FC) (Livak and Schmittgen, 2001). Реакции амплификации проводили на системе детектирования в реальном времени QuantStudio5 384 (Thermo Fisher Scientific, США). Реакции включали этап предварительного чтения (60 ° C в течение 30 с), этап удержания (95 ° C в течение 10 мин), этап ПЦР (40 циклов при 95 ° C в течение 15 с и 60 ° C в течение 1 мин). и этап пост-считывания (60 ° C в течение 30 с).Каждые 5 мкл реакционной смеси содержали следующие конечные концентрации: 1 × Taqman Universal MasterMix, 1 мкМ gapdh прямой и обратный праймеры, 0,2 мкМ gapdh TaqMan зонд, 1,4 мкМ sdY _Exon2 прямой и обратный праймеры, 0,32 мкМ sdY _Exon2 TaqMan-зонд, 2,1 мкМ sdY _Exon4 прямой и обратный праймеры, 0,48 мкМ sdY _Exon4 TaqMan-зонд и 2 нг / мкл матрицы гДНК. По возможности не включались контрольные образцы (NTC) и контрольные самцы и самки.
Для проверки методологии количественной ПЦР мы использовали самцов XY и супер-самцов YY. Самцы XY будут нести единственную копию Y-специфичного гена, определяющего пол sdY . С другой стороны, супер-самцы будут нести две копии гена sdY , по одной на Y-хромосому. YY самцы являются продуктом либо самооплодотворения, либо двойных гаплоидных самцов. Полную информацию о производстве супер-самцов YY можно найти у Fjelldal et al. (на рассмотрении). Вкратце, яйца и молоки лосося-гермафродита были удалены хирургическим путем, чтобы предотвратить нежелательное самооплодотворение.Затем яйца самоопылялись либо нормальной, либо облученной ультрафиолетом молокой. После оплодотворения молок, облученных УФ-излучением, была проведена диплоидизация под давлением для получения двойных гаплоидных самцов, используемых в этом исследовании.
Отображение связей
Картирование сцепления было выполнено для всех 64 семейств, включая восемь семейств, показывающих несоответствие между генетическим и фенотипическим полом. Для каждой семьи коэффициент идентичности по происхождению (IBD) среди аллелей потомства оценивался как на основе информации о родословной, так и на основе информации о генотипе, как в Pong-Wong et al.(2001). Во-первых, было рассмотрено геномное расположение локуса, определяющего пол. Связь между бинарным фенотипом (мужской / женский) и двумя отцовскими (материнскими) унаследованными аллелями была исследована путем подбора критерия хи-квадрат в каждой семье отдельно, в каждом локусе SNP. Во-вторых, геномное расположение полового несоответствия для восьми затронутых семей было исследовано с использованием того же подхода хи-квадрат, также на уровне семьи. Здесь два фенотипа больше не были мужским и женским, а были несоответствующими / не противоречащими индивидуумами, где несоответствующая группа состояла из всех обычных мужчин и женщин, а несоответствующая группа состояла из фенотипических женщин, которые усиливали одну или несколько копий sdY , а также фенотипические самцы, которые амплифицировали более одной копии sdY .
Статистический анализ
Для проверки отклонений наблюдаемых значений от ожидаемых частот генотипов sdY использовалосьтестов хи-квадрат с вычисленными значениями p с помощью моделирования методом Монте-Карло (10 6 повторностей). Все статистические анализы проводились в R V.3.6.2. (Основная группа разработчиков R, 2019).
Этические соображения и разрешения на исследования
Протоколы экспериментов (номера разрешений 4268, 5296) были одобрены Норвежским управлением исследований животных (NARA).Использование экспериментальных животных проводилось в строгом соответствии с норвежским законом о защите животных. Это включало анестезию или эвтаназию рыб с использованием метакаина (Finquel ® Vet, ScanVacc, Орнес, Норвегия) во время всех описанных процедур. Кроме того, весь персонал, участвовавший в этом эксперименте, прошел обучение, одобренное Норвежским управлением по безопасности пищевых продуктов, которое является обязательным для всего персонала, проводящего эксперименты с животными, включенного в Закон о защите животных.
Результаты
Мы обнаружили несоответствие на основе ПЦР между подтвержденным фенотипическим полом и генотипом sdY у 66 особей из 2025 рыб из 64 протестированных семейств (рис. 1).Все зарегистрированные случаи были фенотипическими женщинами, показывающими положительный сигнал для sdY . Несоответствие между наличием / отсутствием sdY и фенотипическим полом наблюдалось только у женщин из восьми из 64 семей, в пределах от 36 до 82% среди женщин в семье. Из 88 родителей, использованных в качестве маточного стада, три фенотипические самки были sdY положительными. Эти женщины были матерями семей F26, F27 и K22, все из которых имели потомство женского пола, демонстрирующее несоответствие между фенотипическим и генетическим полом (Рисунок 1).В пяти других семьях, содержащих дискордантное потомство, не было дискордантных матерей.
Рис. 1. Распределение фенотипических половых частот в 64 исследованных семьях, показывающее на основе ПЦР генетические половые соответствия sdY . Согласные мужчины и женщины отображаются синим и оранжевым цветом соответственно. Дискордантные самки ( sdY положительные фенотипические самки) показаны темно-серым цветом.
Основываясь на приведенном выше результате, мы предположили, что у некоторых атлантических лососей может быть вторая аутосомная копия sdY в геноме.Чтобы изучить эту возможность, мы использовали значения FC из анализа qPCR, чтобы исследовать количество копий sdY , присутствующих у каждого человека (как ген, определяющий пол, так и потенциальную аутосомную псевдокопию). Во-первых, мы генотипировали известных самцов XY и YY, чтобы подтвердить возможность идентифицировать две копии этого гена с помощью анализа (рис. 2А). Этот тест продемонстрировал, что самцы XY сгруппированы вокруг значений 1 FC для обоих ампликонов (экзоны 2 и 4). Кроме того, YY мужчины, т.е.е., самцы, содержащие две копии sdY , все сгруппированы вокруг значения FC, равного 2 (порог> 1,5 FC для обоих экзонов). Все три несогласные самки, описанные выше, несли одну копию sdY , в то время как четыре производителя были идентифицированы как несущие две копии sdY (рис. 2B). Примечательно, что эти четыре самца дали начало пяти семьям, показавшим дискордантное потомство, у которого не было дискордантной матери, и, кроме того, дали начало двум семьям с дискордантной маткой (дополнительная таблица 2).Таким образом, на данном этапе было продемонстрировано, что все восемь семей с дискордантным потомством имели одного или двух дискордантных родителей. Более того, ни у одной из 56 семей без дискордантного потомства не было дискордантных родителей. Среди 2025 потомков 62 и 4 фенотипических самки демонстрировали одну и две копии sdY соответственно, а 66 и восемь фенотипических самцов отображали две и три копии sdY соответственно (рис. 2С). Все эти люди были зарегистрированы в восьми семьях, в потомстве которых обнаруживались несоответствия между фенотипическим и генетическим полом.Когда эти данные рассматривались на семейной основе, наблюдаемая частота потомков, несущих переменное количество копий гена sdY , в значительной степени соответствовала аутосомному наследованию (рисунки 3, 4).
Рис. 2. Значения кратного изменения (FC) на основе ПЦР в реальном времени для ампликонов экзона 2 и экзона 4 sdY . (A) Подтверждающая ОТ-ПЦР с использованием самцов XY и супер-самцов YY; круглые и квадратные точки соответственно. (B) Родительские особи для семей F1-K2012, показывающие 1–2 × sdY особей-производителей синим цветом и дискордантную мать 1 × sdY оранжевым цветом.Референс 1 × sdY самцы отображаются серым цветом. (C) Примерная пластина, на которой показаны 1–3 × самцов sdY и 1–2 × самок sdY синего и оранжевого цвета, соответственно, среди потомства. Контрольные самцы не отображаются.
Рис. 3. Концептуальная диаграмма, показывающая модель наследования и наблюдаемые частоты для потомков скрещиваний с одним родительским индивидом, несущим псевдокопию sdY . (A) Скрещивание фенотипического самца 1 × sdY и дискордантной самки 1 × sdY , обозначенное как ∗ . (B) концептуальная диаграмма, показывающая модель наследования на хромосомном уровне. Половые хромосомы и аутосомы представлены темно-синим и темно-оранжевым цветом соответственно. Нормальный самец 1 × sdY (слева), несущий копию гена sdY (желтый) в Y-хромосоме, определяющего пол. Несоответствующая фенотипическая самка 1 × sdY (справа), несущая аутосомную псевдокопию sdY (темно-серый) в гетерозиготном состоянии. (C) Ожидаемые пропорции мужчин и женщин для различных генотипов sdY (1-2 ×). (D) Потомки наблюдались пропорции для пораженных семей 1 × и 2 × самцов sdY и 0 × и 1 × sdY самок: голубые, синие, светло-оранжевые и оранжевые, соответственно. Пунктирные линии представляют ожидаемые частоты генотипа sdY .
Рис. 4. Концептуальная диаграмма, показывающая модель наследования и наблюдаемые частоты для потомков скрещиваний с обоими родительскими особями, несущими псевдокопию sdY . (A) Скрещивание фенотипического самца 2 × sdY и дискордантной самки 1 × sdY : оба пораженных родительских индивидуума отмечены звездочкой. (B) Концептуальная диаграмма, показывающая модель наследования на хромосомном уровне. Половые хромосомы и аутосомы представлены темно-синим и темно-оранжевым цветом соответственно. (B) 2 × sdY самец (слева), несущий копию определяющего пол гена sdY (желтый) в Y-хромосоме и дополнительную аутосомную копию (темно-серый) при гетерозиготном.Несоответствующая фенотипическая самка 1 × sdY (справа), несущая аутосомную псевдокопию sdY (темно-серый) в гетерозиготном состоянии. (C) Ожидаемые пропорции мужчин и женщин для различных генотипов sdY (1–3 ×). (D) Наблюдаемые пропорции потомства для пораженных семей: 1–3 × sdY самцов и 0–2 × sdY самок: голубой, синий, темно-синий, светло-оранжевый, оранжевый и темно-оранжевый, соответственно. Пунктирные линии представляют ожидаемые частоты генотипа sdY .
На основании нашей гипотезы, развитой выше, и наблюдаемых родительских генотипов sdY в шести семьях, мы ожидали увидеть частоту 50/50 у потомства женского пола, отображающего 0 × по сравнению с 1 × sdY копий, и то же самое. частота у потомства мужского пола, отображающего 1 × копии по сравнению с 2 × sdY . Наблюдаемые частоты (рисунок 3) не отклонялись от ожидаемых частот (хи-квадрат p — значения в диапазоне от 0,24 до 0,98). В оставшихся двух семьях, основываясь на родительских генотипах, мы ожидали увидеть распределение 25/50/25 в частотах 0 ×, 1 ×, 2 × и 1 ×, 2 × или 3 × копий sdY. для потомства женского и мужского пола соответственно.Хотя наблюдаемые частоты потомства не совпадали в точности с этими ожидаемыми частотами (Рисунок 4), скорее всего, из-за очень низкого N потомства в этих семьях, они не сильно отклонялись от ожидаемых частот ( p — значения 0,29 и 0,34 от семей. 26 и 27 соответственно).
В 64 семьях подтвержденный фенотипический пол был сопоставлен с хромосомами Ssa02, Ssa03 и Ssa06 (дополнительная таблица 2). После этого потомки из восьми затронутых семей с их генотипом sdY (т.е., самки, отображающие 0 × против 1 × или 2 × sdY копий, и мужчины, отображающие 1 × против 2 × или 3 × sdY копий), были сопоставлены с хромосомами Ssa03, Ssa05, Ssa06, Ssa13 и Ssa28. . Однако статистическая поддержка для некоторых данных картирования была разной, отчасти, возможно, из-за наблюдений с низким N (дополнительная таблица 2).
Обсуждение
Открытие главного определяющего пол гена sdY и его функции у лососевых представляет собой значительный прогресс в знаниях (Yano et al., 2012, 2013; Bertho et al., 2018), открывая новые возможности для исследований. Однако о несоответствии фенотипа -sdY сообщалось у многих видов лососевых, что оставило нерешенными вопросы относительно sdY у лососевых (Yano et al., 2012; Cavileer et al., 2015; Larson et al., 2016 ). Здесь мы представили обширные и убедительные данные, которые убедительно свидетельствуют о том, что эти несоответствия у атлантического лосося вызваны низкочастотными копиями sdY в геноме, которые не участвуют в определении пола.
В рамках изученного здесь генетического материала мы наблюдали 6,75% дискордантных самок и всего 4% особей со второй или третьей копией гена псевдо sdY . Эти рыбы произошли от трех самок и пяти производителей из 88 родителей. Число дискордантных самок, наблюдаемых здесь, выше, чем частота 1%, наблюдаемая у одомашненных тасманских атлантических лососей (Eisbrenner et al., 2014; Kijas et al., 2018), но схожа с 7%, недавно сообщенными для той же тасманской породы. (Браун и др., 2020). Учитывая модель наследования, представленную здесь, вполне вероятно, что это различие является просто результатом количества затронутых родителей и перекрестного дизайна, хотя штаммы-специфические различия в частоте псевдокопии sdY не могут быть исключены. 7 и 12% несоответствий между фенотипом и маркером sdY для пола, о которых сообщалось у нерки (Larson et al., 2016) и чавычи (Cavileer et al., 2015), соответственно, поднимают вопрос о том, существует ли то же явление описанное здесь у атлантического лосося также является причиной наблюдаемого несоответствия у других видов лососевых.Члены подсемейства Coregoninae лишены sdY мужской специфичности, и существование специфичных для пола неактивных копий у самок было призвано объяснить этот феномен (Yano et al., 2012). Вместе с подвижной природой гена sdY потеря функции может также объяснить существование неактивных копий sdY у других видов лососевых (Podlesnykh et al., 2017).
С тех пор, как был открыт ген sdY (Yano et al., 2013), были задействованы различные механизмы для объяснения существования дискордантных фенотипов, таких как фенотипирование или ошибки выборки, изменение пола, опосредованное средой, инактивация гена, специфичная для женщин, вариабельность последовательности , существование второстепенных генов, определяющих пол (SD), и рекомбинация (Yano et al., 2013; Cavileer et al., 2015; Ларсон и др., 2016; Eysturskar et al., 2017; Кинг и Стивенс, 2020). Недавно был предложен дозозависимый механизм для объяснения этих несоответствий у атлантического лосося (Brown et al., 2020), предполагающий, что sdY присутствует в единственной копии в геноме самцов и может также присутствовать в виде частичных копий в геноме самцов. женский геном. Однако наши результаты убедительно указывают на существование нефункциональных аутосомных копий, как ранее предполагалось для двух видов коргонин (Yano et al., 2013) и нерки (Larson et al., 2016). Здесь мы сообщаем о существовании фенотипических самок с максимум двумя полными аутосомными копиями sdY , которые, по-видимому, утратили свою способность функционировать как надлежащий ген SD, вызывая очевидное несоответствие.
У атлантического лосося sdY был картирован в хромосомах Ssa02, Ssa03 и Ssa06 у домашних и диких штаммов лосося из Северной Америки и Норвегии (Eisbrenner et al., 2014; Kijas et al., 2018; Besnier et al., 2020). Он также был сопоставлен с хромосомами Ssa02 и Ssa21 в шести диких популяциях Испании (Gabian et al., 2019). Приведенные выше наблюдения согласуются с результатами настоящего исследования, в котором SD sdY был сопоставлен с Ssa02, Ssa03 и Ssa06 в 64 семействах. Во всех этих исследованиях хромосома Ssa02 была идентифицирована как наиболее частая локализация для sdY и, вероятно, является наследственным вариантом (Kijas et al., 2018). Удивительно, но сообщалось о низкой дивергенции между локусами Ssa03 и Ssa06 (Kijas et al., 2018), что указывает на недавнее происхождение, хотя эти варианты присутствуют как в североамериканских, так и в европейских линиях. Здесь мы сопоставили аутосомных копий sdY с хромосомами Ssa03, Ssa05, Ssa06, Ssa13 и Ssa28. Интересно, однако, что внутри восьми семейств, отображающих аутосомные копии sdY , SD sdY и аутосомные sdY были картированы только на одной и той же хромосоме в семействе F12. Следовательно, эти два гена обычно не располагались на хромосомах в анализируемых семьях.В конечном итоге это может объяснить, почему только ограниченное количество хромосом рекурсивно рекрутируется в качестве половых хромосом у вида (Eisbrenner et al., 2014; Gabian et al., 2019) как недавно, так и в разных линиях (Kijas et al., 2018). ). Было доказано, что используемые здесь праймеры устойчивы к обнаружению как sdY , так и его аутосомной копии с ожидаемыми частотами, поэтому разумно сделать вывод о высокой степени сохранения последовательности связывания праймера. Следовательно, справедливо также предположить, что эти псевдокопии вполне могут быть продуктом недавних транспозиций (Lubieniecki et al., 2015) и могут представлять собой неудачные попытки привлечь новые локусы, определяющие пол, у вида. Рекрутирование половых хромосом у атлантического лосося может быть результатом мобильной природы гена sdY (Faber-Hammond et al., 2015) и генного ландшафта (Bertho et al., 2018), что может объяснить потерю функции здесь представлены аутосомные копии. Функциональная копия sdY считается необходимой для мужского пола у лососевых, но спорадически сообщалось о самцах атлантического лосося с отрицательным результатом sdY (Perry et al., 2019; Brown et al., 2020). Однако они, похоже, являются продуктом артефактов ПЦР (King and Stevens, 2020).
Результаты настоящего исследования, включая разработанный здесь анализ числа копий sdY , имеют значение для программ коммерческого разведения лососевых. Селекционеры все чаще используют ген sdY для определения фенотипического пола и помощи в выборе маточного стада на ранней стадии производства. Расхождения между фенотипическими и генетическими тестами на основе sdY были зарегистрированы, например, в коммерческом штамме Mowi, представляющем материально-техническую и финансовую проблему (Мэтт Барански, Моуи, личное сообщение).Возможность идентифицировать как самцов, так и самок, несущих псевдокопии, дает возможность удалить эту псевдокопию из линии разведения в одном поколении: самцы, несущие две или три копии, и самки, несущие две копии, могут быть удалены раньше, а единственная копия, несущая самок, будет отсеяна, когда фенотип ясен. Кроме того, получение знаний о надлежащей геномной среде, необходимой для успешного набора половых хромосом, может стать огромным скачком в гонке за пониманием точных механизмов определения пола и, в конечном итоге, в получении контроля над процессом с точки зрения аквакультуры.
Заявление о доступности данныхДанные доступны в Open Science Framework со следующим идентификатором: DOI: 10.17605 / OSF.IO / 3XHA9 (https://osf.io/3xha9/).
Заявление об этике
Исследование на животных было рассмотрено и одобрено Норвежским управлением по исследованиям животных (NARA) с номерами разрешений 4268 и 5296.
Авторские взносы
KG, MS и FA задумали и разработали эксперименты. FA, MS и PF проводили эксперименты. FA, MS, FB и KG проанализировали данные и внесли свой вклад в интерпретацию результатов.KG, AW, RE, PF и TH внесли свой вклад в реагенты, материалы и инструменты анализа. Ф.А. и К.Г. написали рукопись. Все авторы предоставили критические отзывы и помогли сформировать исследование, анализ и рукопись.
Финансирование
Эта работа финансировалась Министерством торговли и рыболовства Норвегии и Норвежским исследовательским советом в рамках грантов INTERACT (200510), MATGEN (254783) и POSTSMOLTMAT (254870). Ни один из финансирующих организаций не сыграл никакой роли в дизайне исследования, интерпретации данных или сделанных выводах.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Мы выражаем огромную благодарность Лизе Дирховден, Ивару Хельге Матре, Каре Сторсэтеру и Яну Олаву Фоссе из исследовательской станции Матре (IMR) за выращивание рыб, включенных в это исследование, Анне Грете Э. Сёрвик и Живей Чжан за микросателлитное и SNP-генотипирование, а также MOWI за безоговорочное предоставление одомашненных гамет и за обсуждение последствий этих результатов.Мы также хотели бы поблагодарить владельцев реки за доступ к дикому маточному стаду. Эмили К. Гловер выражает благодарность за рисунок лосося, использованного на рисунках 3, 4. Эта рукопись была выпущена в качестве препринта на BioRxiv (Ayllon et al., 2020).
Дополнительные материалы
Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2020.544207/full#supplementary-material
Список литературы
Эшман, Т.-Л., Бахтрог, Д., Блэкмон, Х., Голдберг, Э. Э., Хан, М. В., Киркпатрик, М. и др. (2014). Дерево секса: база данных сексуальных систем. Sci. Данные 1: 140015. DOI: 10.1038 / sdata.2014.15
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ayllon, F., Kjaerner-Semb, E., Furmanek, T., Wennevik, V., Solberg, M. F., Dahle, G., et al. (2015). Локус vgll3 контролирует возраст созревания у дикого и домашнего атлантического лосося ( Salmo salar L.) самцы. PLoS Genet. 11: e1005628. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1005628
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ayllon, F., Solberg, M. F., Besnier, F., Fjelldal, P. G., Hansen, T. J., Wargelius A., et al. (2020). Транспозиция генов, определяющих пол, как эволюционная платформа для оборота хромосом. bioRxiv DOI: 10.1101 / 2020.03.14.9
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Эйллон, Ф., Сольберг, М. Ф., Гловер, К. А., Мохаммади, Ф., Кьернер-Семб, Э., Фьелдал, П. Г. и др. (2019). Влияние генотипов vgll3 на возраст моря при половозрелости изменено у выращиваемых атлантических лососей штамма mowi . BMC Genet. 20:44. DOI: 10.1186 / s12863-019-0745-9
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Barson, N.J., Aykanat, T., Hindar, K., Baranski, M., Bolstad, G.H., Fiske, P., et al. (2015). Зависимое от пола доминирование в одном локусе поддерживает различия в возрасте половозрелости у лосося. Природа 528, 405–408. DOI: 10.1038 / nature16062
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Берто, С., Херпин, А., Брантон, А., Жуанно, Э., Яно, А., Николь, Б. и др. (2018). Необычный ген определения пола радужной форели захватил канонический путь дифференцировки гонад у позвоночных. Proc. Natl. Акад. Sci. США, 115, 12781–12786. DOI: 10.1073 / pnas.1803826115
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Безье, Ф., Гловер, К.А., Лиен, С., Кент, М., Хансен, М.М., Шен, X., и др. (2015). Выявление количественных генетических компонентов изменчивости приспособленности выращиваемого, гибридного и местного лосося в дикой природе. Наследственность 115, 47–55. DOI: 10.1038 / hdy.2015.15
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Безье, Ф., Сольберг, М. Ф., Харви, А. К., Карвалью, Г. Р., Беккевольд, Д., Тейлор, М. И. и др. (2020). Эпистатическая регуляция роста атлантического лосося выявила: исследование QTL, проведенное на границе раздела одомашненные и дикие. BMC Genet. 21:13. DOI: 10.1186 / s12863-020-0816-y
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Браун, М. С., Эванс, Б. С., Афонсо, Л. О. (2020). Несоответствие генотипического пола фенотипическим самкам атлантического лосося ( Salmo salar ) связано с уменьшением числа копий sdY . Sci. Отчет 10: 9651. DOI: 10.1038 / s41598-020-66406-x
Google Scholar
Кавилир, Т.Д., Хантер, С.С., Олсен, Дж., Венбург, Дж., И Наглер, Дж. Дж. (2015). Анализ определяющего пол гена ( sdY ) показывает несоответствие между фенотипическим и генотипическим полом в диких популяциях чавычи. Пер. Являюсь. Рыба. Soc. 144, 423–430. DOI: 10.1080 / 00028487.2014.993479
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Cnaani, A., Lee, B. Y., Zilberman, N., Ozouf-Costaz, C., Hulata, G., Ron, M., et al. (2008). Генетика определения пола у видов тилапиинов. Пол. Dev. 2, 43–54.DOI: 10.1159 / 000117718
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Эйсбреннер, В. С., Ботрайт, Н., Кук, М., Дэвидсон, Э. А., Доминик, С., Эллиотт, Н. Г. и др. (2014). Доказательства наличия нескольких локусов, определяющих пол, у тасманского атлантического лосося ( Salmo salar ). Наследственность 113, 86–92. DOI: 10.1038 / hdy.2013.55
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Eysturskarð, J., Dam, M., í Kongsstovu, S.K., Якобсен, Б, и Петерсен, П. Э. (2017). Быстрая идентификация пола атлантического лосося ( Salmo salar L.) с помощью ПЦР в реальном времени. Aquac. Res. 48, 2618–2620. DOI: 10.1111 / are.13003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фабер-Хаммонд, Дж. Дж., Филлипс, Р. Б., и Браун, К. Х. (2015). Сравнительный анализ общей области определения пола (SDR) среди лососевых рыб. Genome Biol. Evol. 7, 1972–1987. DOI: 10.1093 / GBE / evv123
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Габиан, М., Моран, П., Фернандес, А. И., Вильянуэва, Б., Чтиуи, А., Кент, М. П. и др. (2019). Идентификация участков генома, регулирующих определение пола атлантического лосося, с использованием данных SNP высокой плотности. BMC Genomics 20: 764. DOI: 10.1186 / s12864-019-6104-4
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гловер, К. А., Харви, А. К., Хансен, Т. Дж., Фьелдал, П. Г., Безье, Ф. Н., Бос, Дж. Б. и др. (2020). Хромосомные аберрации у триплоидных атлантических лососей, вызванных давлением. BMC Genet. 21:59. DOI: 10.1186 / s12863-020-00864-0
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гловер, К. А., Сольберг, М. Ф., Безье, Ф., и Скаала, О. (2018). Тайная интрогрессия: свидетельство того, что отбор и пластичность маскируют полный фенотипический потенциал одомашненного атлантического лосося в дикой природе. Sci. Реп. 8: 13966. DOI: 10.1038 / s41598-018-32467-2
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гайомар, Р., Guiguen, Y., Bernard, M., Charlet, A., Dechamp, N., Hervet, C., et al. (2014). «RAD-seq-картирование спонтанной маскулинизации в XX удвоенных гаплоидных линиях радужной форели», Труды 10-го Всемирного конгресса по генетике, применяемой в животноводстве (WCGALP) ), Ванкувер, Британская Колумбия.
Google Scholar
Харви, А. К., Скилбрей, О. Т., Безье, Ф., Сольберг, М. Ф., Сорвик, А. Г. Э. и Гловер, К. А. (2018). Последствия для интрогрессии: изменил ли отбор по быстрому росту порог размера для преждевременного созревания самцов у домашнего атлантического лосося? BMC Evol.Биол. 18: 188. DOI: 10.1186 / s12862-018-1294-y
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Харви, А. С., Сольберг, М. Ф., Трояну, Э., Карвалью, Г. Р., Тейлор, М. И., Крир, С. и др. (2016). Пластичность роста выращиваемого и дикого атлантического лосося: вызвана ли повышенная скорость выращиваемого лосося эволюционной адаптацией к коммерческому рациону? BMC Evol. Биол. 16: 264. DOI: 10.1186 / s12862-016-0841-7
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хаттори, Р.С., Сомоса, Г. М., Фернандино, Дж. И., Колаутти, Д. К., Миёси, К., Гонг, З. и др. (2019). Дублированный Y-специфический ген amhy является консервативным и связан с самцом у серебристых особей рода Odontesthes . Гены 10: 679. DOI: 10.3390 / genes100
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Kijas, J., McWilliam, S., Sanchez, M. N., Kube, P., King, H., Evans, B., et al. (2018). Эволюция локусов определения пола у атлантического лосося. Sci. Отчет 8: 5664. DOI: 10.1038 / s41598-018-23984-1
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кинг Р. А. и Стивенс Дж. Р. (2020). Улучшенный генетический половой тест атлантического лосося ( Salmo salar L.). Консерв. Genet. Ресурс. 12, 191–193. DOI: 10.1007 / s12686-019-01094-y
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Kjaerner-Semb, E., Ayllon, F., Furmanek, T., Wennevik, V., Dahle, G., Niemela, E., et al.(2016). Популяции атлантического лосося обнаруживают адаптивную дивергенцию связанных с иммунитетом генов — дублированный геном при отборе. BMC Genomics 17: 610. DOI: 10.1186 / s12864-016-2867-z
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Куше, Х., Коте, Г., Эрнандес, К., Нормандо, Э., Бойвин-Делисль, Д., и Бернатчез, Л. (2017). Характеристика естественной изменчивости популяций североамериканского атлантического лосося (Salmonidae: Salmo salar ) в локусе, оказывающем большое влияние на возраст моря. Ecol. Evol. 7, 5797–5807. DOI: 10.1002 / ece3.3132
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ларсон, У.А., МакКинни, Дж. Дж., Сиб, Дж. Э. и Сиб, Л. У. (2016). Идентификация и характеристика локусов, ассоциированных с полом, у нерки с использованием генотипирования путем секвенирования и сравнения с анализом определения пола на основе гена sdY . J. Hered. 107, 559–566. DOI: 10.1093 / jhered / esw043
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Льен, С., Gidskehaug, L., Moen, T., Hayes, B.J., Berg, P.R., Davidson, W. S., et al. (2011). Плотная карта сцепления на основе SNP для атлантического лосося ( Salmo salar ) показывает расширенную гомеологию хромосом и разительные различия в паттернах рекомбинации, специфичных для пола. BMC Genomics 12: 615. DOI: 10.1186 / 1471-2164-12-615
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лиен, С., Куп, Б.Ф., Сандве, С. Р., Миллер, Дж. Р., Кент, М. П., Ном, Т. и др.(2016). Геном атлантического лосося дает представление о редиплоидизации. Природа 533, 200–205. DOI: 10.1038 / природа17164
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ливак, К. Дж., И Шмитген, Т. Д. (2001). Анализ данных относительной экспрессии генов с использованием количественной ПЦР в реальном времени и метода 2 (T) (- Delta Delta C). Методы 25, 402–408. DOI: 10.1006 / meth.2001.1262
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Любенецкий, К.П., Лин, С., Кабана, Э. И., Ли, Дж. Ю., Лай, Ю. Ю., и Дэвидсон, В. С. (2015). Геномная нестабильность локуса, определяющего пол, у атлантического лосося ( Salmo salar ). G3 (Bethesda) 5, 2513–2522. DOI: 10.1534 / g3.115.020115
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Маккуин, Д. Дж., И Джонстон, И. А. (2014). Хорошо ограниченная оценка времени дупликации всего генома лососевых показывает существенное отделение от видового разнообразия. Proc. R. Soc. B-Biol. Sci. 281: 20132881. DOI: 10.1098 / rspb.2013.2881
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Меткалф В. Дж. И Джеммелл Н. Дж. (2006). Маркеры полового генотипа отсутствуют у небольшого числа самцов новозеландского Oncorhynchus tshawytscha. J. Fish Biol. 68, 136–143. DOI: 10.1111 / j.0022-1112.2006.00903.x
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Наглер Дж. Дж., Баума Дж., Торгаард Г. Х. и Даубл Д.Д. (2001). Высокая встречаемость генетического маркера, специфичного для самцов, у фенотипических самок чавычи из реки Колумбия. Environ. Перспектива здоровья. 109, 67–69. DOI: 10.1289 / ehp.0110967
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пендас, А.М., Моран, П., Мартинес, Дж. Л. и Гарсиаваскес, Э. (1995). Применение 5S-рДНК в атлантическом лососе, кумже и идентификации гибридов атлантического лосося и кумжи. Мол. Ecol. 4, 275–276.DOI: 10.1111 / j.1365-294X.1995.tb00220.x
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пеннелл, М. У., Манк, Дж. Э. и Пейхел, К. Л. (2018). Переходы в определении пола и половых хромосомах у позвоночных. Мол. Ecol. 27, 3950–3963. DOI: 10.1111 / mec.14540
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Perry, W. B., Solberg, M. F., Besnier, F., Dyrhovden, L., Matre, I.H., Fjelldal, P. G., et al.(2019). Эволюционные факторы, определяющие размер кайпа атлантического лосося ( Salmo salar ): одомашнивание, возраст и генетика. R. Soc. Open Sci. 6: 1
. DOI: 10.1098 / RSOS.1
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Подлесных А.В., Брыков В.А., Кухлевский А.Д. (2017). Нестабильная связь молекулярных маркеров с геном определения пола у тихоокеанских лососей ( Oncorhynchus spp.). J. Hered. 108, 328–333. DOI: 10.1093 / jhered / esx001
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Понг-Вонг, Р., Джордж, А. В., Вуллиамс, Дж. А., и Хейли, К. С. (2001). Простой и быстрый метод вычисления матриц идентичности по спуску с использованием нескольких маркеров. Genet. Sel. Evol. 33, 453–471. DOI: 10.1186 / 1297-9686-33-5-453
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
R Development Core Team (2019). R: язык и среда для статистических вычислений. Вена: Фонд R для статистических вычислений.
Google Scholar
Росс, Дж. А., Уртон, Дж. Р., Боланд, Дж., Шапиро, М. Д., и Пейчел, К. Л. (2009). Обмен половых хромосом у колюшки (Gasterosteidae). PLoS Genet. 5: e1000391. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1000391
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сольберг, М. Ф., Фьелдал, П. Г., Нильсен, Ф., и Гловер, К. А. (2014). Время вылупления и рост алевина до начала экзогенного питания выращиваемого, дикого и гибридного норвежского атлантического лосося. PLoS One 9: e113697. DOI: 10.1371 / journal.pone.0113697
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сольберг, М. Ф., Гловер, К. А., Нильсен, Ф., и Скаала, Ø (2013). Вызывает ли одомашнивание изменение норм реакции роста? Исследование фермерских, диких и гибридных семейств атлантического лосося, подвергшихся экологическому стрессу. PLoS One 8: e54469. DOI: 10.1371 / journal.pone.0054469
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Таггарт, Дж.Б. (2007). FAP: программа назначения родителей на основе исключения с расширенными функциями прогнозирования. Мол. Ecol. Примечания 7, 412–415. DOI: 10.1111 / j.1471-8286.2006.01616.x
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Уильямсон, К. С., Мэй, Б. (2002). Заболеваемость фенотипическими самками чавычи, положительными по специфическому для Y-хромосомы маркеру мужских особей OtY1 , в Центральной долине, Калифорния. J. Aquat. Anim. Здоровье 14, 176–183. DOI: 10.1577 / 1548-86672002014 <0176: IOPFCS <2.0.CO; 2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Яно, А., Гайомар, Р., Николь, Б., Жуанно, Э., Квилле, Э., Клопп, К. и др. (2012). Связанный с иммунитетом ген превратился в главный ген, определяющий пол, у радужной форели , Oncorhynchus mykiss . Curr. Биол. 22, 1423–1428. DOI: 10.1016 / j.cub.2012.05.045
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Яно, А., Николь, Б., Жуанно, Э., Квилле, Э., Фостье, А., Guyomard, R., et al. (2013). Половой диморфизм по гену Y-хромосомы ( sdY ) представляет собой консервативную последовательность Y-хромосомы, специфичную для мужчин, у многих лососевых. Evol. Прил. 6, 486–496. DOI: 10.1111 / eva.12032
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Salmo_salar — браузер Ensembl генома 104
Salmo_salar — браузер Ensembl генома 104//www.ensembl.org/?mobileredirect=no
Сборка
Сборка ICSASG_v2 была предоставлена Международным сотрудничеством для секвенирования генома атлантического лосося в июне 2015 года.Сборка находится на уровне хромосомы и состоит из 368 060 контигов, собранных в 241 573 каркаса. Из этих последовательностей было построено 29 хромосом. Размер N50 — это длина, при которой 50% собранного генома находится в блоках размером N50 или более. Длина N50 для контигов составляет 57 618, а для каркаса N 50 — 1 366 254.
Аннотации гена
Процесс аннотации генов выполнялся с использованием комбинации выравнивания белков с геномами, картирования аннотаций из подходящих эталонных видов и выравниваний RNA-seq (где данные RNA-seq с соответствующими метаданными были общедоступны).Для каждой области гена-кандидата был применен процесс отбора для выбора наиболее подходящего набора транскриптов на основе эволюционного расстояния, экспериментальных доказательств исходных данных и качества выравнивания. Небольшие нкРНК были получены с использованием комбинации BLAST и Infernal / RNAfold. Псевдогены были рассчитаны путем изучения генов с большим процентом небиологических интронов (интроны <10 п.н.), где ген был покрыт повторами или где ген был единственным экзоном, и доказательства функционального мультиэкзонного паралога были найдены в другом месте. в геноме.lincRNA были получены с помощью данных RNA-seq, где в транскрипте не было обнаружено доказательств гомологии белков или доменов белков.
В соответствии с соглашением Форт-Лодердейл, пожалуйста, проверьте статус публикации генома / сборки перед публикацией любых полногеномных анализов с использованием этих данных.
Дополнительная информация
Общие сведения об этом виде можно найти в Википедия.
Статистика
Сводка
| Сборка | ICSASG_v2, Сборка INSDC GCA_000233375.4, июн 2015 | |||||||||||||||||||
| Базовые пары | 3,412,130,248 | |||||||||||||||||||
| Длина золотого пути | 3,412,130,248 | |||||||||||||||||||
Annotation provider
Количество генов
Другое
. ХЭШ (0x3515fc90) . |