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自然界中存在大量的多倍化植物，在有花植物中，大約70%都是多倍體。而在現(xiàn)生脊椎動物中僅有部分魚類和兩爬中存在多倍體現(xiàn)象。為何多倍體脊椎動物數(shù)目遠(yuǎn)比多倍體植物較少至今仍是謎。
為了探討這一重要問題，中國科學(xué)院昆明動物研究所研究員、中國科學(xué)院院士張亞平和湖南師范大學(xué)教授劉少軍分別發(fā)揮他們在基因組進(jìn)化分析和遠(yuǎn)緣雜交研制多倍體魚品系等方面的優(yōu)勢，組成一個跨國聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，開展異源四倍鯽鯉品系遺傳特性研究。該團(tuán)隊(duì)其他主要成員包括云南大學(xué)副教授羅靜、云南大學(xué)/中科院昆明動物所聯(lián)合培養(yǎng)博士生柴靜、湖南師范大學(xué)博士任力和周毅、云南大學(xué)博士生黃峰和碩士生劉小川、德國康斯坦斯大學(xué)教授Axel Meyer等。
他們利用二倍體紅鯽（Carassius auratus red var., 2n = 100）為母本及二倍體鯉魚（Cyprinus carpio L, 2n = 100）為父本進(jìn)行屬間遠(yuǎn)緣雜交建立的兩性可育的鯽鯉雜交品系為研究對象。該雜交品系的F1和F2為二倍體雜交魚(2n=100)；部分雌、雄二倍體F2個體能分別產(chǎn)生不減數(shù)的二倍體卵子和二倍體精子，它們受精在F3中形成了雌、雄異源四倍體鯽鯉個體(4n=200)，F(xiàn)3自交形成了F4異源四倍體鯽鯉群體；經(jīng)過連續(xù)繁殖，目前已繁殖到了F25，形成了一個兩性可育、遺傳性狀穩(wěn)定、四倍體性能代代相傳的異源四倍體鯽鯉(4n=200)品系(F3-F25)。該兩性可育的雜交品系的建立打破了物種間生殖隔離，是上通過屬間遠(yuǎn)緣雜交獲得的脊椎動物四倍體品系。該系的建立不但為研制三倍體魚在生產(chǎn)上的大規(guī)模應(yīng)用提供了寶貴的四倍體親本，而且為研究遠(yuǎn)緣雜交及四倍體化在生物進(jìn)化中的作用提供了重要的模型。
以紅鯽和鯉魚的基因組為參考，他們對該遠(yuǎn)緣雜交品系中的雙親及雜交4個世代（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)18和F22）的肝臟轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)在四個世代中有9.67%–11.06%的基因?qū)儆趤碓从谀副决a魚和父本鯉魚的嵌合基因，其中一些基因（如CSNK, CDC, RAD, UBE等）參與了細(xì)胞周期調(diào)控，或與通過重組進(jìn)行DNA損傷修復(fù)等功能相關(guān)；推測嵌合基因的產(chǎn)生與基因重組時大范圍的DNA修復(fù)、非同源末端連接和轉(zhuǎn)座子活性有關(guān)，也可能與基因大環(huán)錯配修復(fù)過程中基因復(fù)制滑動和非配對復(fù)制的非剪切有關(guān)。嵌合基因的富集情況顯示，部分嵌合基因集中分布在與突變形成和修復(fù)相關(guān)功能的信號通路中。檢測到1.02%–1.16%的基因存在雜交子代特異性變異。他們還發(fā)現(xiàn)雜交二倍體F1和F2與父本鯉魚的表達(dá)譜類似，而基因組加倍后的雜交四倍體F18和F22與母本鯽魚的表達(dá)譜相似；這表明雜交二倍體和雜交四倍體在基因表達(dá)方面存在顯著差異；基因表達(dá)的差異可能與突變、細(xì)胞凋亡程序調(diào)控等相關(guān)。
鯽鯉雜交品系經(jīng)歷了遠(yuǎn)緣雜交和四倍體化過程，不同物種的基因組合并而產(chǎn)生的基因組休克效應(yīng)，這可能是脊椎動物中多倍體較少的原因之一。研究結(jié)果提示，在多倍體化的初始階段，多倍體魚的基因結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)發(fā)生變化，并伴隨著比植物多倍化持久的基因組休克效應(yīng)等綜合因素都有可能導(dǎo)致多倍體個體較少。另外由于基因組休克效應(yīng)等因素導(dǎo)致二倍體F2的存活率非常低也可能是脊椎動物中多倍體較少的原因之一。
該研究得到國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
有關(guān)成果近期在線發(fā)表在刊物PNAS上。學(xué)科交叉和多團(tuán)隊(duì)的密切合作是成功的關(guān)鍵。