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项目文章丨水生所桂建芳院士团队通过操控有性-单性生殖转换创制基因组重构的高抗高产新多倍体

有性生殖是真核生物的主要繁殖方式。在有性生殖过程中，减数分裂同源重组与雌雄配子融合使子代产生遗传多样性，这些多样性是农业选择育种的基础。然而通过有性生殖获得的优良性状，特别是杂种优势，容易在后续世代中发生分离。因此利用单性克隆生殖方式快速固定优势基因型，避免后代性状分离，永久维持杂种优势性状，被一些专家誉为农业育种的“圣杯”。更为重要的是，单性生殖与多倍化育种技术的结合最近已在作物育种中展现出革命性潜力，然而该策略在动物中的应用仍然面临挑战。

2025年7月11日，中国科学院水生生物研究所桂建芳院士团队在Advanced Science上发表了题为“Manipulating Unisexual–Sexual Reproduction Transition to Engineer Genome-Reconstructed Polyploids”的研究论文，首次在动物育种中通过利用单性-有性生殖转换，成功构建具有优良性状的基因组重构多倍体，为异育银鲫“中科6号”的培育提供核心技术支撑。万摩科技承担了本研究的测序及相关分析工作。

文章原名：Manipulating Unisexual–Sexual Reproduction Transition to Engineer Genome‐Reconstructed Polyploids

文章译名：操控有性-单性生殖方式转换创制基因组重构的多倍体

发表时间：2025年7月

发表期刊：Advanced Science

IF：14.1

文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202506024

该研究团队在前期研究中以异育银鲫“中科3号”（Carassius gibelio；AAABBB）作为底盘品种，利用雌核生殖银鲫具有整合父本基因组形成更高倍性多倍体的生殖潜能，将一套父本双二倍体红鲫（C. auratus；AABB）的基因组整入双三倍体银鲫，创制出少数恢复有性生殖能力的双四倍体雄鱼（Lu et al., Science China-Life Sciences, 2021），从而揭示了倍性变化驱动鲫生殖方式转换和克隆多样性形成的遗传机制（Lu et al., Molecular Biology and Evolution, 2022）。本研究在此基础上，以具有天然抗鲫疱疹病毒（CaHV）能力的双二倍体白鲫（C. cuvieri；AABB）作为母本，与双四倍体雄鱼进行繁殖，创制出一个新多倍群体（图1）。同时，研究团队利用二代测序数据、HiFi数据与Hi-C数据，成功构建了C. cuvieri的高质量单倍体基因组。该基因组大小为1.60 Gb，contig N50为9.29 Mb，序列被挂载至50条染色体，且这50条染色体被进一步划分为A、B两个亚基因组。此基因组的成功构建，为后续深入解析多倍体遗传机制奠定了坚实的数据基础。

图1：新多倍体的创制及其三个亲本物种基因组的系统发育分析

为了明确新型多倍体的基因组组成，研究团队利用二代测序数据、HiFi数据与Hi-C数据，从合成多倍体群体中随机挑选一尾个体完成了新型多倍体的基因组组装，并将序列挂载到了150条染色体上，与中期分裂观察的染色体条数一致，证实该新型多倍体为双三倍体。（图2）。根据与白鲫单倍体基因组的共线性关系，将组装出的150个单倍型分为50条染色体和A、B两套亚基因组。其中绝大多数染色体包含3个单倍型，而染色体16A和22B较为特殊，前者包含2个单倍型，后者包含4个单倍型。为进一步明确单倍型的亲本来源，研究团队利用父母本二代测序数据、C. gibelio和C. auratus的特异性纯和SNP对基因组进行分型，结果显示新多倍体从母本白鲫遗传了一套完整染色体组（AB），从父本双四倍体遗传了两套染色体组（AABB）。在父本来源的两套染色体组中，部分银鲫和红鲫的同源染色体间发生了一次或两次重组事件。这些结果表明合成新多倍体为基因组重构的双三倍体（Genome-reconstructed amphitriploid；AAABBB）。

图2：基因组重构新双三倍体的全单倍型基因组组装与分析

研究团队还详细探究了基因组重构双三倍体雌鱼的育性及其卵母细胞成熟发育的细胞学过程（图3）。发现约53.8%的雌鱼恢复了单性雌核生殖的能力，并且在可育雌鱼的卵巢中观察到两种类型的初级卵母细胞，其中类型Ⅰ卵母细胞先产生，但由于其3条同源染色体无法同时联会以及未联会染色体上的DNA双链断裂（DSB）无法修复从而发生凋亡；而随后产生的类型Ⅱ卵母细胞，其细线期几乎不形成DSB，同时3条同源染色体在减Ⅰ前期不发生联会，进而不形成重组交叉（Crossover）。这些现象表明类型Ⅱ卵母细胞第一次减数分裂被抑制，采用与银鲫相同的“无减数分裂”途径形成不减数的卵子。

图3：基因组重构双三倍体雌鱼恢复雌核生殖能力的细胞学过程

研究团队从基因组重构双三倍体群体中，挑选出3尾体型优良且个体最大的雌性分别作为母本，利用雌鱼恢复的雌核生殖能力，以兴国红鲤作为父本，创制出3个雌核生殖克隆系，分别命名为克隆系-1、克隆系-2和克隆系-3（图4）。通过疱疹病毒人工感染实验，发现3个克隆系的抗病毒能力存在显著差异，其中克隆系-1的所有个体全部存活，克隆系-2中约38.9%的个体存活，克隆系-3和异育银鲫“中科3号”的所有个体在病毒感染12天内全部死亡，而白鲫群体中约58.0%的个体存活。

图4：3个具有疱疹病毒抗性差异的克隆系建立

为了解析3个克隆系抗性差异形成的遗传机制，研究团队对3个克隆系的6种器官进行了转录组分析（图5）。在肝脏、肌肉、大脑和心脏四种器官中，3个克隆系间具有相似的转录模式。然而在2个主要造血器官（头肾和脾脏）中，3个克隆系的基因表达模式具有较大差异，表明与造血功能相关的基因表达在不同克隆系之间可能存在差异。进一步对头肾和脾脏两个造血器官的转录组进行聚类分析，筛选出与疱疹病毒抗性呈正相关（C1）和负相关（C2）的差异表达基因亚群。在C1类别的前10个富集通路中，“氧运输”和“氧结合”通路在头肾和脾脏中均被富集，同时“血红蛋白复合物”在头肾中也显著富集。这些数据表明，氧代谢能力可能与疱疹病毒抗性密切相关。

图5：3个克隆系的转录组图谱

研究团队进一步分析了不同抗性克隆系间参与血红蛋白生物合成与降解的6个主要通路，发现血红蛋白代谢相关基因的转录活性与疱疹病毒抗性呈正相关（图6）。通过监测抗性克隆系-1和易感克隆系-3在病毒感染过程中的血氧分压（pO₂）及血红蛋白浓度（HGB）的动态变化，发现抗性克隆系-1在病毒感染过程中通过高效的血红蛋白合成能力维持了血氧稳态，而易感克隆系-3在病毒感染过程中处于持续的缺氧状态。机体氧稳态维持对于鱼类免疫系统的激活至关重要，抗性克隆系-1在感染初期的免疫系统激活效率也显著强于易感克隆系-3。

通过对基因组重构新双三倍体群体中极端抗病和极端易感的各30尾个体进行PSA分析。研究团队将疱疹病毒抗性性状关联到白鲫染色体12B上一段约11.0 Mb的基因组热点区间（图6），该区间包含的292个基因被显著富集于血红蛋白生物合成、氧运输、氧结合及血红素结合等通路。这些数据表明，双二倍体白鲫的染色体12B具有一个抗性单倍型（12B1）和一个易感单倍型（12B2）。当白鲫的抗性单倍型（12B1）转移到双三倍体雌鱼中，它就能通过雌核生殖固定该单倍型，从而形成抗性克隆系。

图6：抗性与易感克隆系间的血红蛋白合成能力和单倍型差异

上述研究表明，通过倍性变化和生殖方式转换驱动的多基因组重构，银鲫的天然单性雌核生殖能力和白鲫的天然抗疱疹病毒能力能够同时引入基因组重构的双三倍体（图7）。其中雌核生殖能力的形成是通过卵子发生过程中“无减数分裂途径”实现（图3），而抗病毒能力的形成与感染过程中血红蛋白合成及氧稳态维持高度相关（图6），基因组重构双三倍体个体之间的抗病毒能力差异由两种不同白鲫单倍型导致（图6）。更为重要的是，鲫作为年产量接近300万吨的重要水产养殖鱼类，正在遭受由疱疹病毒导致的严重产业威胁，累计经济损失已达数十亿元，培育高抗高产鲫新品种是国家水产种业的重大需求。生长对比试验结果表明，克隆系-2的生长速度显著优于底盘品种异育银鲫“中科3号”，而克隆系-1和克隆系-3的生长速度均显著慢于异育银鲫“中科3号”。因此，兼具抗疱疹病毒能力和生长优势的克隆系-2已被选育为异育银鲫 “中科6号”的候选新品种。本研究不仅首次证明利用单性-有性生殖转换可实现动物多倍体基因组的精准设计育种，同时也为培育高抗高产的突破性银鲫新品种奠定重要理论基础。

图7：操控倍性变化与生殖方式转换创制具有优良性状的基因组重构多倍体

鲁蒙副研究员，博士生张勤灿、朱子彧为该研究的共同第一作者，桂建芳院士、周莉研究员和鲁蒙副研究员为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目(2023YFD2400201)、国家自然科学基金重点项目（31930111）与面上项目（32473149）、中国科学院战略性先导科技专项（XDA024030104）、中国科协青年人才托举工程（2023QNRC001）等项目的支持。

供稿：鲁蒙

校稿：MYT

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