棘头梅童鱼性别决定基因的筛查与特征分析

The mechanism of sex determination and sex differentiation is a hot spot in the basic biology of fish. In recent years, remarkable progress in identification and functional analysis of the major sex determination (SD) genes has been made in fish with the development of high-throughput sequencing and related technologies. Several SD genes were identified in 9 fish species, including 8 species with XY and 1 species with ZW sex chromosome system. Herein, we want to identify and characterize the SD gene in spinyhead croaker (Collichthys lucidus) who has a multiple sex chromosome system（X1X1X2X2/X1X2Y）. To achieve the objectives, we will carry out the following work: (1) to find sex specific sequences by female-to-male genomic comparison, and to develop the sex specific markers; (2) to map the sex determination region (SDR) with GWAS; (3) to find the SD gene candidates within the sex specific sequence and SDR, and to prefer the strong SD gene candidates based on the temporal and spatial expression profiling of SD candidate genes; (4) to find Y- specific mutation by comparing the sequence the SD gene and the flanking sequence ; (5) in vivo functional verification. This project will identify and characterize the SD gene in a fish species with multiple sex chromosome system for the first time. The expected results will enrich the knowledge of SD gene in fish, lay the foundation for the further development of sex determination mechanism of spinyhead croaker, and provide a tool for genotyping the genetic sex of spinyhead croaker.

性别决定基因的筛查是鱼类遗传学与发育生物学研究的热点。近年来，鱼类主要性别决定(SD)基因的鉴定取得了举世瞩目的进展，但尚缺多性染色体系统鱼类SD基因的研究资料。在前期研究中，我们发现棘头梅童鱼具有多性染色体系统，并组装了雌性棘头梅童鱼参考基因组。因此，本项目拟以棘头梅童鱼为研究对象，应用基因组比较和全基因组关联分析技术精细定位性别决定区域，鉴定SD基因，并分析其结构与功能特征，探讨棘头梅童鱼SD基因的起源与作用机理；同时开发棘头梅童鱼性别分子标记。本项目将首次鉴定并分析多性染色体系统鱼类的SD基因，研究结果将充实鱼类SD基因知识，为深入开展棘头梅童鱼性别决定机制奠定基础，也为棘头梅童鱼的种群结构研究、生殖控制和性别控制提供遗传性别鉴定工具和理论支持。

性别决定基因的鉴定是鱼类遗传学与发育生物学研究的热点。本项目利用组学技术鉴定并表征了棘头梅童鱼性别决定基因(SDG)，主要研究内容包括4个方面。（1）性别决定区域（SDR）的定位和性别分子标记的开发。基于性别二态SNP分布将宁德和舟山群体的SDR分别定位于“Chr.1+Chr.7的小段区域”和“Chr.1+Chr.8几乎全染色体”上，揭示了2种不同的复性染色体系统；同时开发了3个适用范围不同的性别分子标记。（2）雄鱼基因组的组装与注释。结合Illumina、PacBio CCS和Hi-C测序技术获得数据集，采用单倍型组装策略组装了宁德和温州群体的雄鱼基因组和Y染色体，通过比较基因组进一步揭示了性染色体的转换和分歧。（3）性别相关转录组数据集的构建与分析。利用RNASeq获得性腺分化时序和成体组织转录组数据集，采用相关分析、差异表达基因分析等方法，查明性腺的基因表达约从58日龄起开始出现明显的性别分化，同时鉴定了成体组织性别偏向表达基因。（4）性别决定基因的鉴定和特征分析。结合共有性别二态SNP定位和共线性分析定位南北群体共有SDR，并在其间发现4个Y染色体特异的基因，结合基因表达特征推断Dmrt1Y是棘头梅童鱼的SDG。经过研究还查明，该基因起源于常染色体Chr.11上Dmrt1的重复与易位，所编码蛋白的氨基酸序列保守，但基因组中第4内含子上存在长度变异，并在该内含子中检测到性别偏向的表达产物。综上，本项目在海水鱼中首次发现具有2种复性染色体系统的物种，在石首鱼中首次发现Dmrt1以重复易位形式获得性别决定功能，为鱼类性别决定基因和性染色体进化提供了新发现与新见解，为鱼类性染色体进化与物种分化提供了一个独特的研究模型，也为界定棘头梅童鱼南北种群的分类地位提供了重要证据。

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