在之前，我们分享了结构变异（SV）在植物群体研究中的最新案例（Genome Biology丨SV-GWAS揭示了基因组结构变异对桃果实性状的影响），指出SV在解析植物驯化机制和进化适应性中的重要性。本期推文，我们着重分享SV在动物群体研究中的应用案例与研究思路。

    2020年10月，Nature Communications在线发表了题为“The structural variation landscape in 492 Atlantic salmon genomes”的研究论文，该研究通过对492个大西洋鲑鱼进行深度测序，指出了SV在大西洋鲑鱼群体结构研究中的重要性，并分析了野生大西洋鲑鱼与驯化群体间的遗传差异，为大西洋鲑鱼的基因组进化研究和驯化性状的遗传机制解析提供了新见解。

图1  文章发表信息

研究背景

    大西洋鲑鱼隶属于鲑科鲑属，是目前广泛养殖的经济鱼类，具有较高的经济和生态价值。鲑科鱼类在硬骨鱼的共同祖先发生WGD事件后，又在80-100百万年前发生了特异性的WGD事件，使得其基因组中保留了较多的冗余基因，这可能会影响SV的选择性保留。目前对大西洋鲑鱼群体结构的研究大多基于SNP进行，因此开展大西洋鲑鱼群体的SV研究可为其驯化机制解析提供新见解。

研究思路

    材料：492份材料，包括80份野生加拿大品种、359份挪威品种、8份波罗的海品种、4份白海品种、41份养殖材料。

图2  野生大西洋鲑鱼的采集信息

    测序：Illumina测序，平均测序深度8.1×。

图3  技术路线

研究结果

    1.SV的检测、过滤与注释

    由于二代测序在检测SV时假阳性概率过高，研究者使用了一套严谨的流程（Lumpy+SV-plaudit）来过滤SV，共获得15483个SV（14017个删除，1244个重复，242个反转），平均长度为1532 bp。此外，基于三代测序的SV检验结果表明过滤得到的各类型的SV准确率均高于81%。基于SV的群体结构分析表明，492份大西洋鲑鱼可分为加拿大和挪威两种类型，与之前基于SNP分析的结果相一致。

    使用SnpEff去注释SV的功能，结果表明许多SV位于基因间区和内含子区域，共覆盖8439个基因，显著富集在与抗性、物质运输相关的通路中。

图4  SV的特征及其在染色上的分布

    2.WGD事件对SV的影响

    基于SV的blast比对，同时结合系统进化树，研究者发现大西洋鲑鱼中pTSsa2序列显著扩张，这阐述了大西洋鲑鱼进化中DNA转座子的活跃性。同时结合大西洋鲑鱼中独特的WGD事件，研究者进一步探讨了Ss4R WGD事件对其SV选择性保留的影响。结果表明，与单基因相比，SV更容易与有功能冗余的基因相重叠；转录组分析表明与缺失SV相重叠的基因表达量显著减少。总之，大西洋鲑鱼中Ss4R WGD事件通过功能冗余方式来影响缺失类型SV的选择性保留。

图5  缺失类型SV的重叠对基因表达的影响

    3.大西洋鲑鱼驯化中SV的选择及其影响

    与家畜和家禽驯化上千年相比，人工养殖大西洋鲑鱼才历经60年，受选择的世代数不超过15年。因此，研究者猜想人类对大西洋鲑鱼的驯化还处在早期阶段（即行为特征的驯化），即在野生和养殖大西洋鲑鱼之间受选择的SV应与控制行为的基因调控途径相关。

    为验证猜想，研究者选择了34个养殖个体与257个野生个体进行选择性消除分析（Fst），共在全基因组范围内筛选到了584个SV，共包含326个独特基因。GO富集表明，48%的基因（156个）都显著富集在与学习和行为相关的通路中。随后进行转录组分析，发现这些基因在大脑中表达特异性和表达水平显著提高。

图6  人工养殖和野生大西洋鲑鱼间的遗传分化（Fst）分析

    突触蛋白质组是神经系统活动的核心，并定义了动物一生中可以完成的全部认知和行为。为进一步研究大西洋鲑鱼中，与受选择SV相关的基因座在驯化遗传结构中的作用，研究者将大西洋鲑鱼所有编码的蛋白质产物与来自斑马鱼高分辨率突触蛋白质组相互参照，结果发现156个基因中的65个编码了突触蛋白。此外，突触基因连接的SVs在野生鱼中是罕见的等位基因，在养殖鱼中显示杂合子(携带一个SV拷贝，0/1)和纯合子(携带两个SV拷贝，1/1)的频率增加。

    总的来说，由于选择性压力或漂移的改变，大西洋鲑鱼的驯化改变了不同基因（除了神经和行为途径）的功能。

    通过获得高质量的SV，研究者对大西洋鲑鱼中WGD影响SV的保留、驯化过程中SV的选择及其功能影响进行深入分析，为大西洋鲑鱼的遗传进化、人工养殖提供了新见解。而在此文中，研究者所使用的研究思路可为其他非模式动物的群体SV研究提供借鉴意义，其主要亮点概括如下：

    （1）选择新颖、足够多的材料进行测序分析（不限于斑马鱼、罗非鱼等模式物种）；

    （2）设计严谨的流程来过滤SV（SV双重过滤+三代测序验证）；

    （3）选择性消除分析的结果深度验证（转录组+蛋白组）。

    SV的新颖性+套路化的研究思路，我们有理由相信，SV会在动物群体研究中发挥更加重要的作用！