《中国科学院海洋研究所在裙带菜遗传育种群体构建与性别决定机制研究方面获新进展》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2021-04-09
  • 近日,国际藻类学期刊Journal of Phycology在线发表了中国科学院海洋研究所在大型经济褐藻遗传育种研究方面的最新成果。海藻种质库团队根据裙带菜生活史的特点,提出了构建双单倍体(DH)群体的方法,并研究了孤雌生殖与雌雄同体表型的遗传规律,为海带目褐藻遗传育种研究提供了重要的方法学支持,为揭示裙带菜性别决定的遗传学机制提供了重要依据。  

    裙带菜是我国重要的经济海藻之一和重要出口创汇水产品,年产量约50万吨(鲜重),在我国已经有近半个世纪的栽培历史,主产区为辽宁、山东两地。近年来,海洋所海藻种质库团队成功培育了我国第一、第二个裙带菜新品种“海宝1号”和“海宝2号”,结束了裙带菜依赖国外引种的历史。2020年,海藻种质库团队根据裙带菜生活史特点,提出并建立了构建永久F2群体的方法。

    DH株系的所有基因位点均为纯合,因此是一种永久性的遗传育种群体,在陆地作物的遗传育种及数量性状位点(QTL)定位研究中被广泛应用,但是在海带目褐藻中尚没有DH群体构建的报道。

    海藻种质库团队利用经典遗传学方法,发现经过减数分裂以后,裙带菜配子体的雌雄同体与孤雌生殖表型是可遗传的,揭示了雌雄同体表型的伴性遗传现象(即只出现于雄性配子体中),暗示决定雌雄同体现象的基因位点可能位于雄性V染色体的性别决定区(SDR)或与其紧密连锁。研究人员利用这种遗传特性,在裙带菜中提出并建立了利用孤雌生殖和雌雄同体现象构建DH群体的方法,并通过培养实验及分子标记与细胞流式技术检测,证实了该方法的准确性和可行性。

    该研究得到了国家自然科学基金面上项目、国家藻类产业技术体系、中国科学院战略生物资源能力建设项目及中国科学院海洋所汇泉学者项目等支持。单体锋副研究员为论文第一作者,逄少军研究员与单体锋副研究员为论文共同通讯作者。   

    相关论文:

    Tifeng Shan*, Shaojun Pang*, Xuemei Wang, Jing Li (2021) The inheritable characteristics of monoecy and parthenogenesis provide a means for establishing a doubled haploid population in the economically important brown alga Undaria pinnatifida (Laminariales, Alariaceae). Journal of Phycology https://doi.org/10.1111/jpy.13153.

    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jpy.13153

    Tifeng Shan, Shaojun Pang*, Xuemei Wang, Jing Li, Qianxi Li, Li Su, Xiaodong Li (2020) A method to establish an “immortalized F2” sporophyte population in the economic brown alga Undaria pinnatifida (Laminariales: Alariaceae). Journal of Phycology 56:1748–1753.

  • 原文来源:http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202104/t20210406_5990367.html
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    • 编译者:liguiju
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    • 近日,中国科学院海洋研究所在大型经济褐藻裙带菜的性别决定机制研究中取得新进展,相关研究成果以“Identification of a genomic region linked with sex determination of Undaria pinnatifida (Alariaceae) through genomic resequencing and genetic linkage analyses of a segregating gametophyte family”为题在国际藻类学期刊Journal of Phycology上发表。 裙带菜在我国是仅次于海带的第二大经济褐藻和重要的出口创汇水产品。与经典的关于海带目褐藻性别表型的认知不同,裙带菜单倍配子体世代存在雌性、雄性、雌雄同体三种性别表型,但是目前其性别决定机制尚未可知。 海藻种质库研究人员将具有雌雄同体表型的单倍配子体与雌性单倍配子体进行杂交获得孢子体,经减数分裂后大规模构建了子代单倍配子体克隆家系。以前期完成的裙带菜基因组为参考,利用重测序技术开发多态性SNP标记并构建高密度遗传图谱。由此发现62个SNP与性别性状紧密连锁,它们位于23号连锁群67.67 cM的位置,对应于23号染色体的一段长度为14.67 Mbp的物理区间。 团队将前期在另一个不同单倍体分离家系中开发的SLAF标签按照有参考基因组的方法进行重新分析,构建遗传图谱并对性别位点进行定位,发现性别连锁位点对应的基因组位置包含了上述14.67 Mbp的区间,由此判断该区间为性别决定区域。该区间共有129个基因,其中39个有明确的注释信息,包含了褐藻雄性表型决定的候选基因——HMG基因。基因表达分析结果显示,HMG基因在雄性配子体的营养生长阶段及雌雄同体配子体营养生长和配子发生阶段表达量较高,而在雄性配子体的配子发生阶段表达量较低。上述研究成果为阐明海带目海藻性别决定分子机制这一重要科学问题奠定了基础,也为有效开展裙带菜遗传育种提供了重要理论依据。 中国科学院海洋所单体锋研究员为论文第一作者,逄少军研究员为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金面上项目、国家藻类产业技术体系、中国科学院战略生物资源能力建设项目及中国科学院海洋所汇泉学者项目的支持。 论文信息: Tifeng Shan, Yuqian Li, Shaojun Pang. 2022. Identification of a genomic region linked with sex determination of Undaria pinnatifida (Alariaceae) through genomic resequencing and genetic linkage analyses of a segregating gametophyte family. Journal of Phycology https://doi.org/10.1111/jpy.13295
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    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:liguiju
    • 发布时间:2023-05-27
    • 中国科学院海洋研究所贝类研发团队承担的中国科学院战略性先导科技专项 “美丽中国生态文明建设科技工程”——“服务于‘美丽海洋’的生物调控技术与示范”子课题,在牡蛎适应性机制解析及抗性提升技术研发领域取得了阶段性新进展,相关成果近期发表于环境科学领域期刊Science of the Total Environment、Marine biotechnology等。 在全球气候变化加剧和极端天气频发的背景下,海洋生物面临着严峻的生存考验。在海洋生物资源保护与利用领域,生物适应潜力预测与适应性提升一直是学术界和产业界共同关注的热点问题。潮间带海域是海洋与陆地的交汇区,受来自海洋、陆地和大气中多种环境因素以及人类活动的直接与间接影响,其环境具有高变异性;牡蛎作为经济与生态价值兼备的潮间带优势种,与潮间带环境共同构成了研究海洋生物与环境互作效应的理想研究体系。 人们经常会关注到,潮间带牡蛎的体型比潮下带牡蛎要小很多,与市场售卖的养殖牡蛎相比,形态更是千差万别。其实这些外型截然不同的牡蛎很可能是一个物种,造成这种差异的原因主要是牡蛎所处的环境不同。科学家把这种同一基因型的个体在不同环境中表现出不同表型的现象称之为表型可塑性,这是包括牡蛎在内的海洋生物重要适应机制。 海洋所贝类研发团队以“牡蛎-潮间带环境”为研究体系,经过系统的比较检测发现,潮间带牡蛎与潮下带牡蛎不仅在生长指标、营养物质组成和含量上不同,其对高温、干露等胁迫环境的抗性也存在显著差异,特别是在高温条件下,潮间带牡蛎要比潮下带牡蛎具有更强的响应弹性和抗性。研究团队对潮间带牡蛎与潮下带牡蛎进行了基因组结构变异的检测,结果并未发现两者基因组结构有明显差异,表明潮间带与潮下带牡蛎的表型差异主要来源于环境引起的表型可塑性;继续研究发现,以DNA甲基化为代表的表观遗传修饰是介导这一表型可塑性的重要机制。在此基础上,团队成员进一步探究了潮间带环境对牡蛎后代的影响,解析了跨代可塑性(transgenerational plasticity)介导的“环境记忆”是否存在及其内在分子机制问题,并基于环境调控进行了适应性提升技术的研发与应用。 研究人员对野生潮下带和潮间带牡蛎群体进行了连续两代的人工繁育得到F1和F2代并于潮下带环境中同质养殖。对这三代牡蛎进行比较研究发现,在能量代谢状态和机体抗氧化能力相关表型中,三代潮间带牡蛎群体均与潮下带牡蛎群体存在显著差异;在高温条件下,三代潮间带牡蛎表现出相似的高温反应范式,其应激响应模式与潮下带牡蛎存在差异,即潮间带环境诱导的抗性相关表型的跨代可塑性是存在的。DNA甲基化测序结果显示,三代潮间带牡蛎群体均与潮下带牡蛎存在基因组甲基化分化,在亲本潮间带潮下带甲基化差异基因中,有43%(1655个)可连续遗传至F2;在高温应激实验中,有14%(320个)的高温响应基因能从亲本连续遗传两代,后续也通过抑制基因组DNA甲基化的方法反向证实了甲基化在调控高温适应中发挥积极作用。总之,潮间带环境诱导的适应性相关的表型可塑性可至少遗传两代,且DNA甲基化是介导跨代可塑性的重要机制。 相关成果首次从表观遗传学的角度揭示了牡蛎环境诱导性表型变异的跨代遗传现象及其机制,不仅为海洋生物适应性性状的形成和适应潜力的预测提供了新见解,丰富了海洋生物适应性理论,更为基于环境调控提升牡蛎适应性的相关技术研发提供了新的思路。基于该原理,研究团队已申报了多件牡蛎适应性提升技术与牡蛎礁构建相关的专利,并在牡蛎修复性养殖与牡蛎礁生态系统重构中获得应用。 中国科学院海洋所博士后王新星为文章第一作者,李莉研究员为通讯作者。本研究除得到中国科学院战略性先导科技专项支持外,还得到了国家贝类产业技术体系等项目的共同资助。 相关论文: [1] Wang Xinxing; Cong Rihao; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Transgenerational effects of intertidal environment on physiological phenotypes and DNA methylation in Pacific oysters, Science of The Total Environment, 2023. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162112     [2] Wang Xinxing; Cong Rihao; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Experimental DNA demethylation reduces expression plasticity and thermal tolerance in Pacific oysters. Marine biotechnology. 2023.  https://doi.org/10.1007/s10126-023-10208-5     [3] Wang Xinxing; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Direct and heritable effects of natural tidal environments on DNA methylation in Pacific oysters (Crassostrea gigas), Environmental Research, 2021.  https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111058     [4] Wang Xinxing; Li Ao; Wang Wei; Que Huayong; Zhang Guofan; Li Li; DNA methylation mediates differentiation in thermal responses of Pacific oyster (Crassostrea gigas) derived from different tidal levels, Heredity, 2021.  https://doi.org/10.1038/s41437-020-0351-7