探秘春 Chinook 鲑早熟成熟的遗传密码：为鱼类保护助力

《Conservation Genetics 2.0》：Genome-wide association for precocial maturation in juvenile male Spring Chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha)

为探究春 Chinook 鲑（Oncorhynchus tshawytscha）雄性早熟遗传机制，研究人员开展 GWAS，发现多基因影响，意义重大。

　　在鱼类保护的领域中，利用孵化场补充策略来维持濒危鱼类种群数量，是一项重要的举措，就像为脆弱的鱼类种群撑起一把保护伞。然而，在这个过程中，太平洋鲑鱼复杂的生活史特征却给保护工作带来了诸多挑战。以春 Chinook 鲑（Oncorhynchus tshawytscha）为例，雄性个体性成熟年龄差异较大，正常溯河洄游的成年个体通常在 4 - 5 岁成熟，可部分雄性却会提前成熟，比如 1 岁的微杰克（microjacks）和 2 岁的迷你杰克（minijacks）。在自然种群里，雄性早熟个体的比例较低，大约小于 5%，它们的存在就像是一场 “赌博”，在面对可能出现的灾难性环境时，为种群延续保留了一丝希望。但在孵化场中，情况却大不相同，哥伦比亚河流域的春 Chinook 鲑孵化场里，迷你杰克的比例有时竟能高达 71%。这一现象不仅打乱了鱼类成熟年龄的自然分布，还减少了可用于渔业的溯河洄游雄性数量，对鱼类保护和渔业发展都产生了负面影响。为了深入了解这一现象背后的遗传机制，美国相关研究机构的研究人员开展了一项全基因组关联研究（Genome - wide association study，GWAS），该研究成果发表在《Conservation Genetics》上。

研究人员为了开展此项研究，首先从两个繁殖年份（2018 年和 2019 年）的春 Chinook 鲑中选取实验样本，这些鱼是第一代孵化场起源的溯河洄游亲本的后代，在华盛顿州的 Cle Elum 补充研究设施（CESRF）孵化，之后被转移到爱达荷大学水产养殖研究所（ARI）。在鱼生长到约 1.5 岁时，研究人员采集了鳍条、血液样本，并测量了体重和叉长。他们通过解剖和基因分型确定雄性个体，再依据血浆 11 - 酮睾酮（11 - ketotestosterone，11 - KT）的浓度来判断鱼的成熟状态，11 - KT 是鲑鱼生殖发育的重要指标，能以 99% 的准确率预测迷你杰克表型。接下来，研究人员从鳍条中提取基因组 DNA，进行单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphisms，SNP）基因分型和低覆盖度全基因组测序（low - coverage whole - genome sequencing，lcWGS）。实验设置了不同的测试组，将测序读数根据成熟状态和繁殖年份进行分组，之后进行序列比对和关联测试，以找出与早熟成熟相关的基因组区域。

研究结果如下：

• 大小差异：通过双因素方差分析（Two - way ANOVA）发现，2018 年的鱼无论成熟状态如何，平均体重和平均叉长都低于 2019 年的鱼。成熟状态对体重和叉长影响显著，分别解释了 31.2% 和 27.0% 的总变异；繁殖年份也有一定影响，但相对较小。
• 比对结果：对第一组测试组进行分析，应用全局读深度过滤后，有 1.9 Gbps 的序列被所有文库充分覆盖，基因组覆盖率达到 84%，经过组水平过滤后，覆盖度降至 1.6 Gbps，基因组覆盖率为 70%。子集测试组（仅包含分布极端值个体）的结果显示，所有文库覆盖 1.7 Gbps，基因组覆盖率为 76%。
• 种群和家族结构：主成分分析（PCA）和亲属关系分析表明，每个繁殖年份内的种群结构有限，样本代表了多个家族，并且各繁殖年份内的亲缘关系水平较低。
• 关联测试：2018 年组的关联测试发现了两个与早熟成熟显著相关的区域，包含 184 个 SNP，位于染色体 4 和 14 上；2019 年组发现了 134 个差异 SNP，分布在染色体 4、5、8 和 10 上。将两年相同表型组的数据合并后，发现多个染色体区域与早熟成熟相关，其中染色体 15 和 18 上的信号最强。对分布极端值个体进行分析时，也发现了一些额外的候选基因组区域。

在结论和讨论部分，研究表明春 Chinook 鲑早熟成熟的遗传结构是多基因的，并非由单个主要区域控制。多个候选区域与先前研究中关于年龄成熟的区域重叠，特别是染色体 17 和 18，这进一步证明了这些区域在早熟成熟中的重要作用，但目前尚不清楚它们与性别决定区域的关系。研究中还发现不同年份测试组信号存在差异，这可能是由于该性状的多基因结构、生长相关因素的影响以及亲代遗传效应导致的。该研究成果对于鱼类保护和孵化场亲鱼监测意义重大，候选区域的 SNP 可用于监测等位基因频率的变化，评估与早熟成熟相关的遗传组成变化。不过，许多相关基因在成熟过程中的作用还不明确，需要进一步研究。此外，环境因素对该性状的影响也较为复杂，不同种群受到的选择和环境压力不同，这些都有待深入探究。
总的来说，这项研究为春 Chinook 鲑早熟成熟的遗传机制提供了重要的见解，为后续的鱼类保护和管理工作奠定了基础。未来的研究可以在此基础上，进一步明确相关基因的功能和环境因素的影响，从而更有效地保护和管理这一重要的鱼类资源。