项目文章

前言

2021年8月19日，烟台海岸带研究所李宝泉团队在Frontiers in Genetics（IF:4.599）上发表了光棘球海胆简化基因组测序（Super-GBS）分析的相关文章。该文章采用简化基因组测序分型（Super-GBS）的方法，从覆盖光棘球海胆自然栖息地的五个海域取样，对光棘球海胆的种群结构和遗传多样性进行分析，进而为遗传保护和改良提供重要信息，欧易生物提供了该篇文章的Super-GBS测序和分析工作。

基本信息

研究对象：光棘球海胆

发表期刊：Frontiers in Genetics

发表时间：2021年8月19日

涉及的欧易生物服务产品：Super-GBS

研究背景

海胆是一个古老的海洋无脊椎动物类群，属于棘皮动物门下的棘皮动物纲。光棘球海胆是一种著名的食用海胆，口感好，性腺中含有丰富的维生素和不饱和脂肪酸，主要栖息在西北太平洋沿岸的潮间带和潮下带岩石海底。海胆提取物具有广泛的生物学效应，如抗癌、抗氧化、抗白血病、抗疲劳和抗炎作用。

光棘球海胆海胆的高食用和药用价值极大地刺激了消费需求，导致野生海胆严重过度捕捞。此外，主要靠近人口稠密地区的光棘球海胆自然栖息地也受到人类活动的严重干扰。在过度捕捞和自然栖息地丧失的影响下，光棘球海胆的野生种群资源正在迅速减少。因此，了解野生种群的遗传属性，不仅可以为资源评估和管理提供基础信息，而且可以为种质改良奠定基础。

研究内容

在本研究中，使用Super-GBS技术对包括五个种群在内的总共80个个体进行基因分型，覆盖了中国海域的光棘球海胆分布范围。其目的是在全基因组水平上检测单核苷酸多态性（SNPs）并对其进行基因分型，并描述光棘球海胆的遗传多样性和种群结构。研究结果将为Super-GBS在海胆遗传分析中的应用提供有用的信息，并有助于海胆的种群保护和遗传改良。

实验材料

2020年，通过水肺潜水从五个地方总共收集了80个个体（每个地方16个个体，Fig.1），覆盖了中国的光棘球海胆自然分布范围。

Fig.1中国光棘球海胆样本位置分布图

研究结果

测序和基因分型

1.所有样本均使用Super-GBS技术进行测序，有效测序深度约为34.11×。

2.总共产生了76.76 Gb的raw data，平均每样本0.96 Gb。过滤后，总共保留了72.39 Gb的clean data，平均有效率为94.30%。clean data的统计数据进一步显示质量值为20（Q20）≥ 96.33%和质量值30（Q30）≥90.41%，GC含量在40.43%到42.07%之间。

3.使用STACKS构建的参考序列包含439316个标签，平均长度为277bp，最长为1036bp，最短为71bp。初步确定了992728个SNPs。基于序列深度、等位基因数、MAF和缺失率的连续过滤步骤进行质控后，共保留了15562个标签上的51738个双等位基因SNP标记。

遗传多样性

1.PIC值范围很广，从0.213（LD）到0.220（DZD），平均值为0.217(Table.1)。

2. 观测杂合度（Ho）和期望杂合度（He）在Ho=0.230至0.239和He=0.266至0.276的范围内，平均值分别为Ho=0.235和He=0.272。

3.关于近交系数（Fis），YWL的值最低，ZZD的值最高。平均个体MLH在0.241到0.246之间。不同种群的平均sMLH值略有不同。所有种群的估计有效居群（Ne）为724.3。

Table.1 来自中国五个地方的光棘球海胆遗传多样性总结

PIC：多态性信息含量；Ho：群体观察杂合度；He：期望杂合度；Fis：近交系数；MLH：多位点杂合性；sMLH ：标准MLH；Ne：有效居群

群体遗传结构

1.主成分分析显示，大多数样本聚集在一起，没有观察到任何地理分布模式（Fig.2）。从Admixture分析中也可以得到类似的结果（Fig.3）。

2.当k=2时，交叉验证误差的最小值为0.710，并且随着k的增加，这些值从3持续增加到10（Fig.3A）。所有个体在k=2的水平上分为两组，但一组仅包含来自YWL的两个个体（Fig.3B）。

3.为了进一步调查种群结构，还进行了k=3的分析，并观察到了类似的结果（Fig.3C）。成对Fst值范围为0.0001至0.0039，平均值为0.0019（table.2）。LD和YWL的分化水平最高，而ZD和NHD的分化水平最低。

Fig.2 采用全基因组单核苷酸多态性（SNPs）对80个个体进行主成分分析（PCA）3D绘图。

Fig.3 基于全基因组单核苷酸多态性（SNPs）对80个个体进行Admixture分析。

（A） 祖先种群数量（k）的交叉验证图。（B） k=2的聚类条形图。（C） k=3的聚类条形图。

每一列代表一个个体，彩色片段的长度表示从k个祖先群体中遗传的个体基因组的比例。

Table.2 群体间的Fst值

系统发育树

1.水平的系统发育树由33178个双等位基因SNP构建（Fig.4），其中除YWL8和YWL10外，所有个体都属于同一分支。

2.460个双等位基因SNP构建的群体水平系统发育表明，这五个群体似乎来自同一个群体，并且在不同分支之间模拟了三个迁移事件（Fig.5）。

3.系统发育树分析与主成分分析和Admixture分析一致，这证实了所有位置之间的高度遗传连接性，甚至生物混合。

Fig.4  使用SNPhylo构建的个体水平系统发育树

Fig.5  使用TreeMix构建的的基因流动进化树图

总结

1.在本研究中，共检测到51738个高质量的SNP，表明Super-GBS技术是发现光棘球海胆全基因组SNP的有力工具。

2.多样性指数分析表明，所有种群具有相似的模式，Fis值显著，Ne值较低，这表明中国有必要开展光棘球海胆保护。

3.通过对Fst、PCA、Admixture分析和系统发育分析，检测到五个地理群体之间的低遗传分化和高遗传连接性。

4.此外，还发现了两个来自一个孤立祖先的个体，这可能对遗传多样性保护和种质改良至关重要。因此，需要开展更大空间尺度和样本量的调查，以评估未来的种群结构和遗传多样性。

参考文献

Wang Q ,  Liu Y ,  Yan L , et al. Genome-Wide SNP Discovery and Population Genetic Analysis of Mesocentrotus nudus in China Seas[J]. Frontiers in Genetics, 2021, 12:1493-.