研讨职员破译中华蟾蜍年夜型基因组提醒其“胜利”的法门

中华蟾蜍（Bufo gargarizans）隶属蟾蜍科蟾蜍属，俗名“癞蛤蟆”， 是我国罕见且为人熟知的两栖植物。蟾蜍在我国的传统文明中占有紧张位置，其也是意味招财进宝的不祥物。此外，蟾蜍还具备较高的医药研讨代价，其耳后腺和背部皮肤的排泄物有较强毒性、身分简单，次要是强心甾类化合物和生物碱，统称为蟾蜍毒素（Bufotoxin），有麻醉止痛的功能。

蟾蜍科（Bufonidae）物种散布普遍，在除澳年夜利亚、马达加斯加及南极洲之外的各年夜洲均有散布。甘蔗蟾蜍（Rhinella marina）在被工资引入澳洲后，迅速入侵土着物种的生境，众多成灾，毁坏了生态体系。中华蟾蜍在我国散布普遍，从岛屿到高原均有其脚印，其食性普遍，可顺应分歧的生境，强烈的毒性让一些潜在的捕食者（蛇类等）望而生畏。今朝，学界尚不分明蟾蜍广布顺应性的机制，通过基因组测序和组装可帮忙学界更好地相识该物种。与其他植物相比，两栖植物的基因组破译较困难，这次要是因为其基因组广泛较年夜，无尾两栖类（anurans）基因组的年夜小多半范畴在2到8 Gb之间、蚓螈（caecilians）多半达~5-10 Gb、蝾螈（salamanders）多半达~20-60 Gb、基因组最年夜的是一种洞螈（Necturus lewisi），为137 Gb；反复序列占比拟高也是形成测序和组装困难的次要起因之一。是以，今朝两栖植物的基因组数目较少，且多半组装呈高度片断化、质量欠安。近几年倒退成熟的长片断测序技术可能跨过较长的反复区域，联合基因组辅助组装技术，学界无望获得较高质量的两栖类基因组。

为了揭秘中华蟾蜍的顺应性机制，中国迷信院成都生物研讨所吕彬、江建温和傅金钟结合华中师年夜吴华、河南师年夜陈晓红、信阳师年夜宋晓威和西华师年夜廖文波等高校的科研职员，独特提议了中华蟾蜍基因组测序名目，破译了中华蟾蜍基因组，得到了首个组装到染色体是程度的蟾蜍基因组参考图谱。

该研讨应用了4种最新的测序组装技术来构建参考基因组，包含PacBio长读长测序（103X）、BioNano光学图谱（137X）、10x genomeics（130X）和Hi-C染色体构象捕捉技术（176X），总计发生了近3 Tb的测序数据量。终极，基因组组装年夜小约4.55 Gb，仅由747条scaffolds组成（6，822条for寒带爪蟾Xenopus tropicalis），Scaffold N50达539.8 Mb，gap占比仅为1.79% ，96%的序列可定位到11条染色体上（图1A和图2A）。比拟发现，中华蟾蜍与寒带爪蟾的基因组染色体之间具备优越的共线性，研讨职员推测至多阅历过1次染色体交融和3次决裂变乱（图3A）。中华蟾蜍基因组是今朝两栖植物中间断性最好的参考基因组（图1B-D），为两栖植物的基因退化和功效以及学研讨提供了实际撑持。

蟾蜍基因组中反复序列占比为65.5%，年夜部门为长末尾反复（LTR）序列，这与墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum）中的发现较近似，其基因组年夜小约为32 Gb。研讨职员推测，LTR反转录转座子的转座复制发生的年夜量拷贝能够是两栖类基因组微小的紧张起因。基因构造正文和比拟发现，越年夜的基因组领有较长的基因间区和内含子，外显子长度在分歧物种间较激进（图2B）。

研讨发现，中华蟾蜍中具备较多的多拷贝基因，在斑马鱼、甘蔗蟾蜍和墨西哥钝口螈中也存在相似的状况。斑马鱼阅历了硬骨鱼全基因组更加变乱，基因复制数量在该研讨物种中是最多的；而墨西哥钝口螈基因组是迄今实现测序的最年夜的植物基因组，也产生了较多的基因复制变乱；甘蔗蟾蜍和中华蟾蜍隶属蟾蜍科，均是“真蟾蜍”，年夜多半复制是局部产生的。中华蟾蜍中的基因复制方式以串联（TD）和近端复制（PD）为主，而且TD和PD遭到的正选择压力显着高于其他复制方式（图3B和C），研讨职员推测这两种复制方式能够与其情况顺应性无关。

依据上述揣摸，研讨职员阐发了中华蟾蜍基因组中基因家族的扩张状况，发现有122个基因家族产生了显着扩张（图4），化学感触基因家族显着富集，包含嗅觉和苦味受体基因。相比而言，中华蟾蜍的中性替换速度不高，处于中心程度，但其祖先阅历了疾速的退化进程（图4）。

和其他脊椎植物相似，两栖植物异样领有数量庞年夜的嗅觉基因（800~1400 ORs this study），有功效的嗅觉基因占比为60%~70%，泛滥的基因数量阐明嗅觉对两栖植物的生活具备紧张意义。中华蟾蜍中共鉴定出1013个嗅觉基因（图5A和B），765个是完全能够有功效的，占比拟高（~76%）。就功效和变动趋向而言，蟾蜍感触空气中化学分子的嗅觉基因增多且功效基因比例升高，水中则相反。信息素受体在种内和种间通信中饰演紧张脚色，研讨职员在蟾蜍中鉴定到5个完全的信息素受体1（V1Rs），但未发现假基因；4个完全的信息素受体2（V2Rs）和33个假基因（图5C）。V1Rs担任检测空气中挥发的小分子，V2Rs则检测水中的。多物种比拟倾向支持从水到陆驱动的动静退化假说。