中国洞穴鱼线粒体基因组比较分析：新基因串联重复及其进化意义

《BMC Genomics》：Comparative mitogenomic analysis of Chinese cavefish Triplophysa (Cypriniformes: Nemacheilidae): novel gene tandem duplication and evolutionary implications

为探究洞穴鱼线粒体基因进化，吉首大学研究人员分析金线鲃属洞穴鱼线粒体基因组，发现新基因重复，揭示其适应性进化。

　　在神秘的洞穴世界里，生活着一群独特的鱼类 —— 洞穴鱼。它们长期栖息在黑暗的地下河流中，身体发生了许多奇特的变化。比如，它们的眼睛逐渐退化，色素也慢慢消失，这是对黑暗环境的一种适应。同时，它们还进化出了一些新的感觉器官，像增多的神经丘和味蕾，帮助它们在黑暗中感知周围的环境。这些变化背后，是洞穴鱼在代谢需求和能量利用上的权衡，而线粒体作为细胞的 “能量工厂”，在这一过程中扮演着关键角色。线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生 ATP，为细胞提供能量。以往的研究虽然发现洞穴鱼在代谢方面有变化，但线粒体 OXPHOS 基因的分子适应机制却一直不太清楚。而且，中国西南喀斯特地区拥有丰富的洞穴鱼资源，其中金线鲃属（Triplophysa）洞穴鱼种类繁多，对它们线粒体基因组的研究有助于深入了解洞穴鱼的进化历程，这就是本次研究开展的重要原因。

吉首大学的研究人员为了揭开洞穴鱼线粒体基因组的奥秘，对中国典型洞穴鱼杨氏金线鲃（Triplophysa yangi）进行了深入研究。研究成果发表在《BMC Genomics》上，为我们理解洞穴鱼的进化提供了新的视角。

在研究过程中，研究人员运用了多种技术方法。首先，从云南采集杨氏金线鲃样本，提取 DNA 后，利用 MGISEQ2000 平台进行高通量测序。之后，借助 MitoZ、NOVOPlasty 和 MitoFinder 等软件进行线粒体基因组组装，通过 MITOS2 和 MitoFish 在线工具完成注释。还使用了 DnaSP 6、MEGA 11.0 等软件进行序列特征分析、计算遗传距离等，运用多种生物信息学方法构建系统发育树并分析选择压力。

研究结果方面：

• 线粒体基因组结构与特征：杨氏金线鲃线粒体基因组长度为 17,068bp，是金线鲃属中最长的。它包含 13 个蛋白质编码基因（PCGs）、2 个 rRNAs、25 个 tRNAs 和 1 个非编码控制区。与其他金线鲃属物种不同，它有 25 个 tRNA 基因，多出来的是 tRNA^Ala、tRNA^Asn和 tRNA^Cys的重复拷贝，还有一个 OL 拷贝也发生了重复，形成了一个大的完整串联重复单元（A’ - N’ - OL’ - C’），两侧还有未注释序列 U1 和 U2。
• 序列特征分析：该物种线粒体基因组的碱基组成中，A + T 含量较高，为 57.9%，AT - skew 为正，GC - skew 为负。在 13 个 PCGs 中，不同基因的 AT - skew 和 GC - skew 表现不同。RSCU 值显示，Leu 的同义密码子数量最多。与其他 48 种金线鲃属物种的序列分析表明，所有物种 A + T 含量都超过 50%，不同物种的进化速率有所差异。
• 序列相似性分析：基于 COI 序列和串联 PCGs 分析，杨氏金线鲃与昭通金线鲃（T. baotianensis）的遗传距离最小。PCA 和 ANI 分析显示，金线鲃属物种可分为地表种群和洞穴种群，洞穴种群中杨氏金线鲃与镇峰金线鲃（T. zhenfengensis）的 ANI 值最高。
• 系统发育分析：通过最大似然法（ML）和贝叶斯推断（BI）构建的系统发育树显示，金线鲃属分为地表种群和洞穴种群两大支系，洞穴种群中洞穴特化物种存在平行进化现象，杨氏金线鲃与镇峰金线鲃、昭通金线鲃关系较近。
• 选择压力分析：PAML 分支检验表明，金线鲃属 PCGs 总体受到约束选择压力，但洞穴种群（II 和 III 组）的 ω（Ka/Ks）比值显著高于地表种群（I 组），RELAX 分析显示洞穴种群选择压力有所放松。通过多种方法共鉴定出 31 个潜在正选择位点，分布在 8 个基因上，这些位点的氨基酸发生了显著变化，且多位于蛋白质的功能结构域。

研究结论和讨论部分指出，杨氏金线鲃线粒体基因组中发现的新基因串联重复模式，其起源可能是原位复制后功能分化，也可能是水平基因转移。这种重复模式可能对其洞穴适应有重要意义。系统发育分析进一步确认了金线鲃属的两大支系分类，但该属整体的系统发育关系仍有待完善。洞穴种群较高的 ω 比值反映了其复杂的进化过程，是生态、生理选择压力和种群遗传因素共同作用的结果。研究中鉴定出的正选择位点，表明洞穴鱼在分子层面发生了适应极端地下环境的进化。总之，这项研究为深入理解洞穴鱼线粒体基因组进化和适应机制提供了重要依据，也为后续研究洞穴生物的进化和生态适应奠定了基础。