摘要
文昌鱼（包含鳃口文昌鱼属、偏文昌鱼属以及侧殖文昌鱼属）作为脊索动物门头索动物亚门唯一的现存物种，同时具有无脊椎动物和脊椎动物的很多特征，是研究无脊椎动物向脊椎动物演化的“活标本”、“活化石”，系统深入地研究文昌鱼基因组对了解物种演化起源具有重要意义。随着2008年美国佛罗里达文昌鱼（Branchiostomafloridae）和2014年中国白氏文昌鱼（Branchiostomabelcheri）基因组草图的公布，关于文昌鱼功能基因的克隆与表达、免疫系统起源等研究逐渐增多。然而，由于早期测序技术的限制，已公布的文昌鱼基因组存在序列连续性差、组装漏洞多和重复序列区域组装不全等问题，极大地制约了后续的文昌鱼基因组学、转录组等多组学研究。本研究利用第三代PacBio测序技术及Hi-C高通量染色质构象捕获技术，成功组装出了染色体水平的白氏、日本以及佛罗里达文昌鱼参考基因组，并以最新组装的基因组为参考，利用全基因组重测序技术，开展了文昌鱼染色体进化、群体变异检测以及种群历史推断等研究。主要研究工作及结果如下： （1）白氏、日本及佛罗里达文昌鱼染色体水平基因组组装。本研究利用PacBio与Hi-C测序技术首次从头组装出日本文昌鱼（Branchiostomajaponicum）染色体水平的基因组，其序列总长为385.7Mb，contigN50为4.43Mb，scaffoldN50为19Mb，97.3%的基因组序列被挂载到18条染色体上，BUSCO基因完整度为98.8%；将白氏文昌鱼基因组从scaffold水平提升至染色体水平，获得了总长为410.8Mb的基因组序列，contigN50为2.65Mb，scaffoldN50为19.9Mb，96.8%的基因组序列被挂载到20条染色体上，BUSCO基因完整度高达98.6%，基因组连续性（contigN50）比2014年公布的基因组（Branchiostomabelcheriv18h27）提升近60倍；将佛罗里达文昌鱼基因组从scaffold水平提升至染色体水平，获得了序列总长为497.1Mb的基因组序列，contigN50为1.69Mb，scaffoldN50为23.9Mb，95.8%的基因组序列被挂载到19条染色体上，BUSCO基因完整度为99.3%，基因组连续性比2020年最新组装的基因组（Bfl_VNyyK）提升约32倍。染色体级别的文昌鱼参考基因组不仅为文昌鱼演化、无脊椎动物进化以及脊椎动物起源提供重要的基因组资源，同时也为文昌鱼免疫学、转录组学等多组学研究提供精准的参考基因组。 （2）文昌鱼物种演化的基因组学研究。基于文昌鱼种内共线性分析，我们发现文昌鱼基因组几亿年间未经历过大规模的基因组复制、基因大片段丢失以及基因组水平上的加速和较大程度改变，较好的保留了祖先基因组特征。基于三种文昌鱼种间共线性分析，以及文昌鱼与脊椎动物原鸡基因组的共线性分析，我们发现脊索动物祖先（2n=34）分化成为文昌鱼祖先过程中，经历了3次染色体分裂事件，形成了具有20条染色体的文昌鱼祖先。文昌鱼祖先基因组（2n=40）在1.12亿年前演化形成佛罗里达文昌鱼（2n=38）时发生了1次染色体融合事件，在8000万年前分化形成日本文昌鱼（2n=36）时发生2次染色体融合事件，而白氏文昌鱼保留了祖先的20条染色体，因此白氏文昌鱼是研究脊椎动物起源与无脊椎动物进化理想的模式动物。 （3）白氏、日本及佛罗里达文昌鱼群体变异检测。以组装的文昌鱼基因组为参考基因组，通过对2个白氏文昌鱼群体、2个日本文昌鱼群体和1个佛罗里达文昌鱼群体共57条文昌鱼进行全基因组重测序，结合从NCBI上下载的10条文昌鱼重测序数据，获得了文昌鱼群体变异图谱。其中，在白氏文昌鱼群体中共鉴定到了3076万个SNPs和759万个Indels；在日本文昌鱼群体中共鉴定到3176万个SNPs和793万Indels；在佛罗里达文昌鱼群体中共鉴定出2686万个SNPs和637万个Indels。 （4）文昌鱼细胞内消化相关基因变异研究。文昌鱼盲囊上皮细胞能够直接吞噬藻类等微小颗粒，并对其进行有效的消化、吸收和利用。本研究在文昌鱼基因组内30个细胞内消化相关基因上共鉴定到210个有害突变，其中超过60%（129个）的有害突变都为稀有突变（MinorAlleleFrequency＜0.05），这为利用基因工程解决藻类污染问题提供重要编辑位点。此外，我们发现文昌鱼盲囊上皮细胞上高度表达的免疫基因内含有的非同义SNPs明显多于消化与水解基因，这提示文昌鱼盲囊上皮细胞在消化食物颗粒时，需要更多免疫基因的功能突变，以适应食物中大量的微生物侵害。 （5）白氏、日本及佛罗里达文昌鱼群体更新世种群动态研究。通过分析不同测序深度对种群历史动态曲线的影响，发现最适合文昌鱼等高杂合基因组种群历史动态分析的测序深度为25×。由于文昌鱼繁殖时所需海水温度不同，三种文昌鱼的更新世种群动态也略有差异，但总体来看文昌鱼祖先群体在更新世初期都先经历了种群的扩张，而后在更新世中期又逐渐收缩，并在距今约2-3万年的末次盛冰期形成种群瓶颈。此外，我们发现中国厦门与湛江海域的白氏文昌鱼群体很可能在更新世第一个冰期之后开始分化，而中国厦门海域与日本海域的日本文昌鱼则在距今大约40万年前的间冰期开始分化。文昌鱼群体历史动态的研究，不仅给无脊椎动物及高杂合物种种群历史动态研究提供重要的参考，还有助于我们了解文昌鱼在不同气候条件下的适应性，以及科学保护现存文昌鱼的栖息地。
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