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        人才強校 | 我校王興副教授在Nature子刊發表封面文章 首次報道野生蚯蚓高質量全基因組

        資環學院 2021年02月20日 報道 瀏覽次數:

        本網訊 1月29日,我校資源與環境學院王興副教授在Nature子刊Communications Biology發表了題為“Amynthas corticis genome reveals molecular mechanisms behind global distribution”的研究論文。該研究基于長讀段三代測序與Hi-C測序相結合的策略,對蚯蚓基因組進行了高質量拼裝,形成了一個長達1.2 Gb,包含42條準染色體序列的基因組。蚯蚓基因組拼裝序列的N50長度達到31 Mb,結合轉錄組測序數據共預測出29,256個蛋白質編碼基因,且91.2%的后生動物單拷貝直系同源基因都在該基因組中存在完整匹配,證明該基因組具有較高的完整性。完整的基因組,為深入探究隱藏在蚯蚓物種獨特性背后的分子機制提供了先決條件。

        達爾文在晚年的時候,開啟了一段看似平淡卻又獨特的研究,研究的對象就是隱伏于地下的蚯蚓,并在1881年出版的《腐殖土的形成與蚯蚓的作用》中說:“我們很難找到其它的生靈像它們一樣,雖看似卑微,卻在世界歷史的進程中起到了如此重要的作用”。在這以后,越來越多的科學家發現蚯蚓的存在可以顯著提升土壤的肥力,降低土壤有毒物質,增加土壤微生物群落的多樣性,是土壤污染狀況的指示生物。這個被達爾文視為卑微卻又偉大的“生態系統工程師”和人類協作了幾千年,幫助人類高質量和高效地從土地獲取食物。

        皮質遠盲蚓(Amynthas corticis)是一種東亞起源并通過物理傳播入侵到世界各地的廣布種蚯蚓,有研究認為該種蚯蚓的入侵性是與其獨特的基因組特征(多倍體)和生殖方式(孤雌生殖)相關的。多倍體可以為蚯蚓提供更多用于演化或表達優勢性狀的基因組材料,而孤雌生殖則可以幫助蚯蚓更穩定地保留優良性狀。另一方面,蚯蚓與土壤及其腸道微生物存在非常緊密的互作關系,基于這種互作關系,蚯蚓可以改變土壤中各組分比例(提高土壤肥力、降低土壤土壤中的污染物),并優化土壤微生物群落結構(提高有益菌比例、降低有毒微生物比例),也可以使自身在土壤復雜的環境中成功的生存下來。這些獨特現象的分子機制都被編碼在蚯蚓的基因組中,對其基因組的深度解析將會撩開這片神秘的面紗。

         

        圖1 蚯蚓基因組概覽

        首先需要回答的,是蚯蚓基因組的倍性問題。在本研究中,對若干蚯蚓個體的高深度重測序數據顯示,蚯蚓基因組中的單核苷酸多態性存在兩個頻率峰值,分別是1/3和2/3,說明蚯蚓的雙等位基因在基因組中具有三個拷貝。另外,從重測序讀段中提出的雜合k-mer序列的基因組覆蓋分布上來看,高達88%的數據支持雜合k-mer序列的總體覆蓋度是3n,而包含單核苷酸多態性k-mer序列的標準化覆蓋度是1/3,從另一個角度證明了蚯蚓的三倍體特征。為了直接觀察到蚯蚓基因組的染色體數目,本研究進行了核型分析,發現蚯蚓具有多于120條的染色體,如此巨大的染色體數目更直觀地顯示出蚯蚓的三倍體特征。三倍體生物在減數分裂過程中,其染色體是無法進行正常聯會的,因此該倍性特征也支持蚯蚓的孤雌生殖方式。有意思的是,與Amynthas corticis世界廣布種不同,一些區域性分布的蚯蚓,如Eisenia fetida和Eisenia andrei,它們都是二倍體生物。這種蚯蚓基因組倍性的多樣性是否與其自然分布特征存在一定的關聯性,還有待進一步的研究。

         

        圖2 蚯蚓基因組三倍體特性分析。a, 蚯蚓基因組單核苷酸多態性位點頻率分布。b, 蚯蚓基因組倍性最大似然法統計檢驗。c, 蚯蚓基因組雜合k-mer序列基因組覆蓋分布。d, 蚯蚓染色體核型分析。e,蚯蚓染色體數目統計。

        蚯蚓在具有充足基因組材料的基礎上,沿著怎樣的演化路徑加強了它應對外界環境的適應能力呢?本研究基于對物種譜系的基因家族演化分析發現,該蚯蚓為了更好的環境適應能力,走了一段與其他環節動物相比不同尋常的演化之路。首先,蚯蚓基因組的大小分別是其他環節動物海蠕蟲(Capitella teleta)的3.87倍和水蛭(Helobdella robusta)的5.49倍,說明蚯蚓的整體演化策略是基因組擴張。更奇特的是,對物種譜系中加速演化的基因家族進行相關性以及PCA分析后發現,蚯蚓與海蠕蟲以及水蛭具有很大差異,這種差異使得蚯蚓已經離開了環節動物的范疇。更細致的分析發現,造成蚯蚓和其他環節動物巨大差異的主要驅動力是與環境適應相關基因家族的加速演化,這些基因家族的功能涉及免疫系統過程(immune system process),脅迫應激(response to stress)和穩態過程(homeostatic process)。而且,基因家族的演化在蚯蚓內部產生了分歧,與Eisenia fetida和Eisenia andrei相比,Amynthas corticis中與環境適應相關基因家族的演化更加劇烈。這種劇烈的演化是不是也給蚯蚓的全球分布提供了必要的遺傳基礎?

         

        圖3 蚯蚓非比尋常的演化之路。a, 加速演化基因家族物種譜系間相關性分析。b, 加速演化基因組家族物種譜系PCA分析。c, 加速演化基因家族功能富集分析。

        科學家在探索蚯蚓環境適應能力背后分子機制的道路上從未停留,克隆并深入研究了很多功能性基因。蚯蚓基因組的完整拼裝,為在基因組框架下系統性地研究這些基因的分布、物種多樣性以及功能相關性提供了前提條件。本研究對蚯蚓的細胞溶解酶(包括fetidin、lysenin和coelomic cytolytic factor),抗菌蛋白(包括lumbricin I、LBP/BPI和lysozyme),具有先天免疫功能的toll-like受體(包括mccTLR和sccTLR),氧脅迫應激蛋白(包括SOD,CAT和CRT),金屬脅迫應激蛋白(PCS),異生物質解毒蛋白(包括GST和CYP450)以及熱應激蛋白(HSP70)在基因組中進行了系統的鑒定,發現它們傾向出現在基因組倍增區域,并具有更高的基因家族擴張趨勢,這為蚯蚓適應環境提供了較為充足的分子基礎。另一方面,包含這些基因的基因組區域具有更富集的單核苷酸多態性位點,預示著這些基因具有更高的種內多樣性,使其在不同細分生境中更靈活地發揮功能,也為這些基因的持續演化提供了豐富的突變原材料。

         

        圖4 蚯蚓在逆境中對基因組進行精準的時序調控。a, 不同時間點蚯蚓基因組高表達基因分布。b, 不同時間點蚯蚓腸道高豐度微生物分布。c, 不同時間點蚯蚓基因組高表達基因功能分布。d, 不同時間點蚯蚓腸道高豐度微生物功能分布。

        本研究試圖解析蚯蚓與土壤及其腸道微生物緊密互作的分子機制。為了清晰展現互作的過程,將蚯蚓培養在致病性大腸桿菌(Escherichia coli O157:H7)污染的土壤中,然后分別在置入前和置入后3天、7天以及28天等四個時間點獲取蚯蚓的體壁及腸道微生物樣本,進行iTRAQ差異蛋白質組學鑒定以及16S rDNA測序,揭示蚯蚓如何調動自身基因組及其腸道微生物應對土壤環境的脅迫。

        差異表達蛋白分析結果顯示,蚯蚓在四個時間點中都高表達了具有不同功能特征的基因,而這些基因的功能又彼此聯系,展現出精準的時序調控關系:在土壤污染前,蚯蚓中高表達基因與基礎細胞功能相關,包括細胞骨架組織(cytoskeleton organization)、蛋白質運輸(protein transport)、跨膜運輸(transmembrane transport)和信號轉導(signal transduction),說明此時蚯蚓處于正常的生理狀態;致病性大腸桿菌(Escherichia coli O157:H7)污染3天后,蚯蚓體高表達基因與防御功能以及細胞群體行為相關,包括脅迫應激(response to stress)、免疫系統過程(immune system process)、細胞群體增殖(cell population proliferation)和細胞粘連(cell adhesion),說明此時蚯蚓已經開始動員基因組中的相關組分應對環境的脅迫,尤其是基于細胞功能的防御機制;在置入到污染土壤7天后,蚯蚓中高表達基因與代謝分解過程和共生過程相關,包括糖類代謝過程(carbohydrate metabolic process)、小分子代謝過程(small molecule metabolic process)、輔酶代謝過程(cofactor metabolic process)、胞源氮化合物代謝過程(cellular nitrogen compound metabolic process)、分解過程(catabolic process)和共生過程(symbiotic process),說明此時蚯蚓已經開始采用基于體液功能的防御機制應對環境脅迫,也表明此時蚯蚓腸道微生物與蚯蚓的互作發生了增強。在置入到污染土壤28天后,蚯蚓中高表達基因與穩態過程(homeostatic process)相關,表明在經歷了一系列應激反應后,蚯蚓已經適應了污染土壤,并開始重新構建生物體內的穩定狀態。

         

        圖5 蚯蚓基因組與腸道微生物互作網絡。a, 蚯蚓被置入污染土壤前特征性互作網絡。b, 蚯蚓被置入污染土壤3天后特征性互作網絡。c, 蚯蚓被置入污染土壤7天與28天后特征性互作網絡。d, 蚯蚓被置入污染土壤28天后特征性互作網絡。

        當基于蛋白的表達強度以及腸道微生物16S rDNA豐度構建互作網絡的時候,發現4個互作網絡均反映出在蚯蚓和蚯蚓腸道微生物之間存在較強的協同效應,共同維持著蚯蚓在不同時間點的生理需求。第一個互作網絡中,有96%的網絡組分(包括蚯蚓蛋白以及蚯蚓腸道微生物)在蚯蚓被置入污染土壤之前具有最高的表達或豐度,功能與代謝和應激相關,顯示出蚯蚓在正常環境下的生理狀態。第二個互作網絡中,有65%的網絡組分在蚯蚓被置入污染土壤3天后具有最高的表達或豐度,功能與免疫系統過程以及抗病性激活相關,說明這個互作網絡是蚯蚓受到致病性大腸桿菌脅迫后形成并在應對脅迫的起始過程中發揮作用。第三個互作網絡中,有95%的網絡組分在蚯蚓被置入污染土壤7天或28天后具有最高的表達或豐度,功能與各類防御過程、細菌素合成以及免疫功能調節相關,說明這個互作網絡在蚯蚓應對脅迫過程中發揮核心功能。第四個互作網絡中,有72%的網絡組分在蚯蚓被置入污染土壤28天后具有最高的表達或豐度,功能與穩態過程以及生物體修復相關,表明這個互作網絡在蚯蚓應對脅迫后恢復生理機能的過程中發揮重要作用。

        本研究通過對蚯蚓基因組的完整拼裝與多組學分析,揭示了世界廣布種蚯蚓Amynthas corticis的三倍體特征及其與土壤和腸道微生物緊密互作的分子機制,并為相關研究提供了豐富且多元的數據資源?;蚪M的解析,僅僅是撩開了這個卑微卻又偉大的“生態系統工程師”神秘面紗的一個邊角,更多的奧秘還有待深入且細致的研究來揭示。

        中國農業大學資環學院副教授王興為文章第一作者,中國農業大學孫振鈞教授為文章通訊作者。共同第一作者是中國農業大學博士畢業生張一、張玉峰和康明明。共同通訊作者是中國農業大學副教授王興和北京大學博士趙義。其他作者包括中國農業大學畢業生李元博、姜昊、畢艷孟博士、北京晶科瑞醫學檢驗實驗室有限公司楊揚以及美國瑪赫西管理大學的Samuel W. James教授。本研究得到國家自然科學基金項目和中國農業大學人才培育發展支持計劃等基金的支持。

        文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s42003-021-01659-4

        責任編輯:姜萍萍
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