(文獻解讀:劉璐)選擇性滲透調節基因和Na+/K+-ATPase同源基因的差異調控可能是半溯河洄遊魚類群體耐鹽性差異的原因

2021-01-21 鯤鵬水郡

原文發表於2019年，原文引用如下：

 

第一作者：Paige C. Mundy；通訊作者：Paige C. Mundy，Richard E. Connon

單位地址：加州大學戴維斯分校獸醫學院，解剖、生理及細胞生物學

 

摘要

薩克拉門託裂尾鰷（大鱗裂尾魚）(Pogonichthys macrolepidotus)是一種特別受關注的物種，原產於美國舊金山河口。存在兩個遺傳上截然不同的群體，並在最大耐鹽性上存在差異。作者檢查了在兩種不同鹽度下（11或14 PSU（實用鹽度單位））魚鰓在14天時間裡的12個代表滲透調節的職能表達的基因表達，揭示了每個群體在對滲透機制的反應上顯示出不同的基因表達模式，這與群體差異一致。相對耐鹽性較強的San Pablo種群在11個PSU鹽度暴露的第一天，與淡水控制為零的第一天相比，12個轉錄本中的9個顯著上升。3個轉錄本(nka1a、nka1b和mmp13)在鹽度暴露7天和14天的種群間差異表達，這表明相對不耐鹽的Central Valley種群恢復能力下降。另外，通過對大鱗裂尾魚Na+/K+-ATPase的幾個序列進行系統發育分析，發現該基因可能存在不同的亞型。這些發現，加上先前對大鱗裂尾魚的研究，表明San Pablo種群可能能夠優先調節選定的滲透調節基因，包括不同的Na+/K+-ATPaseα1類似物，以更好地應對鹽度挑戰。

結果

轉錄本表達

Na+/K+-ATP酶α1(Nka1a和Nka1b)在暴露14d時，群體間的表達存在顯著差異，其中SP群體表達上調，CV群體表達下調（t(96)=-2.85p<0.0 5；t(96)=-3.46p<0.0 1）(圖2)，表明Nka1a和nka1b的表達在群體間存在顯著差異（t(96)=-2.85p<0.0 5；t(96)=-3.46p<0.0 1）。在SP群體中，在11PSU暴露的第1天和第3天，Nka1a和Nka1b的表達均顯著高於第0天(Nka1a第1天：t(48)=3.17p<2.767；nka1a第3天：t(48)=2.98p<2.767；nka1b第1天：t(48)=2.68p<0.05；nka1b第3天：t(48)=2.92p<0.05)(圖5)。第14天，暴露11PSU時，SP群體中nka1b表達顯著上調(t(48)=2.76，p<0.05)，第7天，暴露14PSU時，SP群體中nka1b表達顯著增加(t(43)=2.68，p<0.05)(圖5)。在CV群體中，與第0天相比，在14PSU暴露的第7天和第14天，clcn2的表達下調(t(41)=-2.757 p<2.757；t(41)=-3.192 p<0.05)(圖5)。

 

圖2

 

圖5

不同人群間調查的一般應激基因之間沒有統計學上的顯著差異(圖3)。與11 PSU第0天相比，所有的一般應激基因在第1天在SP群體中的表達顯著增加(fkbp9 t(48)= 3.97 p<0.001; egr1 t(47)= 3.126 p<0.05; ch10 t(48)= 3.56 p<0.01) (圖5)。與第0天相比，SP群體中FKBP9的表達在第3天仍顯著上調(t(48)=3.789，P<0.01)(圖5)。在14PSU時，與第0天相比，第3天SP和CV群體中EGR1的表達顯著上調(SPt(44)=3.74p<0.01；CV t(41)=2.932 p<0.05)(圖5)。在CV人群中，只有Egr1在11PSU的第1天與第0天相比有顯著增加(t(47)=3.13，p<0.05)(圖5)。在14PSU時，EGR1在第3天和第14天與第0天相比明顯下調(t(41)=2.932，t(41)=-3.552，P<0.01)(圖5)。

MMP13的表達在11PSU的第7天和第14天有顯著差異，SP群體的表達高於CV群體(圖4)(t(96)=-2.734，p<0.0 5，t(96)=-2.718 p<0.0 5)。群體間在14PSU上沒有發現差異。在SP人群中，WNT4a、m3k10、BMP2和FZD5在暴露於11PSU的第1天與第0天相比均顯著增加(wNT4at(49)=5.983 p<0.0001；m3k10t(49)=5.031 p<0.0001；BMP2t(48)=2.861 p<0.0001；fzd5 t(49)=6.571 p<0.0001)。在SP群體中，在11PSU的第3天，WNT4a的表達仍然上調(t(49)=5.983，P<0.0 5)。在SP群體中，14psu的fzd5在第1天比第0天顯著上調，m3k10在第3天的14psu比第0天顯著上調(t(44)=2.681，P<0·05)(圖5)，FZD5在第1天比第0天顯著上調，m3k10在第3天比第0天顯著上調(t(44)=0，P<0·05)。在14PSU的CV群體中，m3k10在第3天與第0天相比顯著下調(t(43)=-2.850，P<0.05)(圖5)。

大鱗裂尾魚NKAα1序列間的關係

從薩克拉門託分裂尾轉錄學(Jeffries et al. 2019)研究中標註為「鈉/鉀轉運ATP酶亞單位α-1」的17個轉錄本序列中，mRNA豐度模式有明顯的差異，表明在14PSU暴露期間，兩個群體中的一些轉錄本在第3天和第7天持續下調，而另一些轉錄本在第3天和第7天上調(圖6B)。當對轉錄本進行比對並分析系統發育關係時，那些表現出相似轉錄模式的轉錄本，如圖6B中所示歸類為「nka1a」或「nka1b」，在某些情況下在系統發育上更為相似(圖6A)。具體地說，序列15和17以及序列11和12在分離時的自舉值為100(圖6A)。雖然按mRNA豐度模式分組，但這些序列是剪接變體還是同一基因的變體仍不清楚。

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大鱗裂尾魚序列與其他硬骨魚Nkaα1的關係

大鱗裂尾魚NKAα表達分組。在其他大鱗裂尾魚序列之外，大鱗裂尾魚atp1a1a序列與斑馬魚 atp1a1.2(NM_131687.1)和斑馬魚 atp1a1.5(NM_178099.2)關係最近。大鱗裂尾魚atp1a1b序列與大鱗裂尾魚atp1a1a序列位於一個由三個分支隔開的群體中。在大鱗裂尾魚序列之外，最接近的序列是鯽魚atp1a1(XM_026217736.1)、犀角金線䰾atp1a1(XM_06573961.1)和斑馬魚atp1a1b(AY008375.1)。

結論

考慮到沿海系統鹹水入侵事件的增加速度，研究魚類種群如何應對鹽度挑戰至關重要。在此，我們發現大鱗裂尾魚的SP群體和CV群體在mRNA豐度模式上存在差異，這一結果表明SP群體具有更好地應對滲透調節挑戰的能力。轉錄反應被認為是確定具有保護重要性的魚類對環境應激源的生物反應的一種特別有用的方法(Connon等人，2018年)。薩克拉門託裂尾魚是一種特別受關注的物種，被認為是美國魚類和野生動植物管理局的一個單一種群。這項研究和以前的研究確定的種群之間的生理差異可以為物種的保護工作提供信息，例如為了解種群的耐鹽性和預測的種群鹽分暴露的潛在結果提供洞察力。具體地說，考慮到與CV種群相比，SP種群已知具有較小的種群規模，但可能是適應物種耐鹽性所需的遺傳變異的重要來源，保護管理者可能會考慮將資源用於有利於保護SP種群。


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