珊瑚綱是腔腸動物門最大的一個綱，由水螅體群體和其祖先的遺體構成。珊瑚本身只佔海底不到1%的面積，卻有著大約25%的海洋物種(包括魚類、兩棲類、軟體動物、甲殼動物、鳥類和哺乳動物等)棲息於珊瑚礁生態系統。這個豐富的生態系統全部依賴於造礁珊瑚蟲細胞內共生甲藻經光合固碳作用貢獻的初級生產力。
然而，近年來人為引發的氣候變化使得海水溫度升高，造成了大面積的珊瑚白化並最終導致珊瑚群落死亡。因此，迫切需要新的保護策略來防止珊瑚覆蓋面的大規模減少。發表在Science上的研究通過構建高質量的珊瑚基因組以及群體重測序、GWAS分析，解析了珊瑚白化遺傳基礎，為鹿角珊瑚與保護提供了思路。
研究對成年的鹿角珊瑚個體分別進行了80x 的PacBio和75x 的10X Chromium平臺測序；並且通過對幼體進行HiSeq測序，通過比對以去除珊瑚共生甲藻的基因序列。通過一系列組裝算法（如圖1）組裝得到鹿角珊瑚基因組大小為475Mb，scaffold N50達到了19.8Mb，BUSCO評估達到了96%；結合轉錄組數據基因組注釋到了28,188個基因。
Fig 1. 基因組裝策略
為了研究與珊瑚白化程度相關的遺傳變異，研究在大堡礁的12個不同地理分布珊瑚礁中收集了253個鹿角珊瑚樣本以及並通過資料庫收集它們的生態環境數據。通過對這些珊瑚個體進行白化視覺評分、葉綠素豐度、共生體細胞密度這三個指標的測定，初步認為珊瑚的白化程度分布與葉綠素豐度、共生體細胞密度有著相似的變化規律（如圖2）。之後，研究從12個地理分布中選擇了48個代表樣本進行了大於20x的高深度重測序，通過與基因組比對，獲得了680萬個SNPs位點用於後續分析。
Fig 2. 珊瑚群體與表型分析
研究通過對鹿角珊瑚群體的680萬個SNPs位點進行連鎖不平衡（LD）分析，發現在15kb距離時LD值為0.05；計算核苷酸多樣性（π）值為0.36%，這些結果均顯示鹿角珊瑚的群體多樣性較低。
此後，通過對每個測序個體進行PSMC分析，發現在過去的一百萬內，鹿角珊瑚的有效群體均表現出穩定的下降趨勢，並且種群演變軌跡呈現高度相似性（圖3）由此推測，這12個地理分布的鹿角珊瑚群體可能存在較高的聯通與關聯。
Fig 3. 遺傳多樣性與種群歷史分析
研究進一步對這12個地理分布的珊瑚群體進行了選擇性清掃（Fst）分析，發現不同採樣地間的珊瑚樣本間的Fst值非常低，且與地理分布無關；PCA分析結果也顯示這12個地理分布的珊瑚群體間不存在明顯的分群、沒有出現基因流障礙（圖4）。產生上述結果的原因推測可能是由於鹿角珊瑚廣泛產卵並隨海洋漂移的繁殖方式造成。
Fig 4. 群體結構與基因流分析
基於上面48個鹿角珊瑚樣本高深度測序結果，研究進一步測序了193個低深度的樣本（平均深度1.5x）。之後，通過基因型填補、過濾、排除表型數據缺失等異常值後，最終對213個樣本進行全基因組關聯分析。
Fig 5. GWAS分析與白化表型預測
研究運用混合混合模型對3個白化表型指標與群體的基因型數據進行GWAS分析，並將環境批次效應、採樣深度、共生體比例作為模型的協變量。分析發現，三個白化表型間存在高度相關，但GWAS分析沒有找到與白化表型顯著相關的主效基因座（圖5），推測可能鹿角珊瑚的白化表型是受多基因控制的。本次GWAS分析發現有幾個較高的峰分別位於13、14號染色體上，並且在14號染色體上定位到的3個基因中的其中一個蘋果酸合酶基因參與乙醛酸循環，結合已有研究顯示，鹿角珊瑚的蘋果酸合酶基因在高溫環境中表現出上調。
在基因組選擇育種上，研究運用線性模型結合不同比例的訓練集和測試集，得到了相同的結果。根據模型看到，在縱坐標表示在0.64的可信度下，能夠預測80%的位點；並且研究批次效應、非遺傳效應、環境、共生菌豐度、多位點效應的共同作用這個結果與GWAS分析沒有得到顯著的效應位點相印證。
本文構建了高質量的鹿角珊瑚參考基因組，並且通過不同深度的群體重測序與GWAS分析、結合基因組選擇手段，探索了珊瑚白化的遺傳基礎，對於經濟、環境相關的表型及變異研究帶來了不少啟示。古奧基因致力於生信分析與表型分析的探索，希望與您一同乘風破浪、攻關難題！
Zachary L. Fuller, Veronique J. L. Mocellin, Luke A. Morris et al. Population genetics of the coral Acropora millepora: Toward genomic prediction of bleaching. Science 369, 268 (2020)往期精彩：
古奧基因是一家以基因大數據分析與分子育種為核心的「BT+IT」高科技公司，核心產品包括基於大數據信息挖掘的可視化分析流程（U-analysis）、交互式分析報告（U-report）、多組學知識庫（U-knowledge）、基因組選擇育種平臺和高通量動植物表型鑑定平臺，以及基於高通量測序技術的生物信息分析產品。古奧基因致力於為公共研究機構和育種企業提供基因大數據分析和解讀、知識庫和基因組選擇育種平臺構建的服務，協助農林動植物分子育種和基因組選擇育種研究。