魚類基因組研究進展

徐鋼春杜富寬卞超石瓊徐跑

（1. 南京農業大學無錫漁業學院，無錫 214081；2.中國水產科學研究院淡水漁業研究中心 農業部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，無錫 214081；3. 深圳市華大海洋研究院 深圳華大基因研究院，深圳 518083）

魚類基因組研究進展

徐鋼春1，2杜富寬2卞超3石瓊3徐跑1，2

（1. 南京農業大學無錫漁業學院，無錫 214081；2.中國水產科學研究院淡水漁業研究中心 農業部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，無錫 214081；3. 深圳市華大海洋研究院 深圳華大基因研究院，深圳 518083）

魚類基因組研究利用大規模測序獲取有關物種的基因組序列信息，進而闡明魚類生物學特性、表型變異與基因組結構之間的關系，在魚類的種質鑒定、遺傳育種、動物營養、環境毒理和病害防治等領域具有巨大的應用潛力。自2001年首先對斑馬魚的基因組測序起，到目前為止已有近40個魚類物種的全基因組測序完成，且其相關的生物學特征、遺傳進化規律等得到較全面的解析。將從魚類全基因組測序技術發展歷程和魚類基因組解析兩大部分對魚類基因組研究進展進行綜述，旨在進一步了解魚類基因組的研究現狀、發展趨勢和應用前景，為后續魚類基因組研究提供參考。

魚類；基因組；基因組學

基因組學（Genomics），是研究生物基因組以及如何利用基因的一門學科，其研究內容涉及基因作圖、測序和整個基因組功能分析［1，2］。基因組研究可以解析基因組信息及基因功能，可用于解決生物、醫學、甚至是工業領域的重大問題。魚類是所有脊椎動物中種類最多的群體，同時魚類又是效率最高的優質動物蛋白來源，中國的淡水魚對世界糧食有重要的貢獻［3］。據估計，全球魚類約有3萬余種，許多魚類具有極大的經濟價值和醫學價值，在生態保護中起著重要的作用，是自然界生物多樣性的一個重要組成部分。因此，有必要借助魚類基因組學的研究，系統解密魚類的起源、進化、生殖、發育、性別調控和免疫等問題。而這些問題的解決有助于科研人員開發出新的技術及策略，以更好地應對魚類育種、疾病防控、海洋食品安全和生物多樣性保護等帶來的諸多挑戰。本文從全基因組測序技術和魚類基因組解析兩大部分對魚類基因組研究進展進行綜述，旨在進一步了解魚類基因組的研究現狀、發展趨勢和應用前景，為后續的魚類基因組研究提供參考。

1 基因組測序技術

1.1 基因組測序組裝策略

生物的基因組十分龐大，不能通過直接讀取生物的基因組DNA序列的方式進行測序。因此，大規?；M測序必須通過一套完整測序組裝策略來進行。1981年，Anderson等［4］提出鳥槍法（Shotgun sequencing）作為全基因測序的策略。鳥槍法的基本原理是將基因組打斷成大量的DNA小片段并分別對這些進行測序，再通過之間的重疊部拼接和組裝成完整的基因序列。

早期，為了適用于 Sanger測序技術建立了分級鳥槍法（Hierarchical shotgun sequencing），如人類基因組計劃就是通過這種方法完成的［5］。之后，又發展出了全基因組鳥槍法（Whole genome shotgun sequencing，WGS）［6］，該策略是將基因組DNA分子打斷成不同長度的隨機片段并連接到克隆載體上，制備成DNA克隆文庫。然后，通過鏈終止法使克隆的兩端產生兩個較短（500 bp-1 000 bp）的末端序列。接著，利用測序技術對末端序列中的一端（Singleend）或兩端（Paired-end）進行測序。產生的測序結果通過組裝軟件按照數學邏輯和算法進行拼裝，還原出基因組的真實序列信息。果蠅、人類的基因組測定即是通過這種策略完成的［7-8］，魚類也是參考這種策略完成基因組組裝［9］。

伴隨著鳥槍法測序組裝策略的逐步完善，基因組測序技術也先后經歷了一代、二代和三代技術的高速發展過程，呈現成本低、周期短和讀長長的趨勢。1.2 基因組一、二代測序技術

1975年，Sanger等率先使用DNA聚合酶和帶放射性標記核苷酸的測序技術，并于1977年完成了噬菌體ΦX174的全基因組，這是最早完成的全基因組序列測定，最終發明鏈終止合成法（Chaintermination method），被稱作Sanger法［10］，這標志著全基因組測序體系的建立。以Sanger法為代表的第一代測序技術自產生以來就得到了廣泛的應用，但其存在著速度慢、通量低、成本高等缺點。進入21世紀后，隨著生物統計、材料科學、計算機科學的飛速發展，測序技術發生了革命性的進步，以Roche 454、Illumina Solexa 和 Life Technologies SOLiD為代表的一批新技術興起，被稱為下一代測序技術（Next generation sequencing，NGS），即二代測序技術，通過邊合成邊測序的方法同時對數十萬甚至上百萬條DNA分子進行測定，使得測序操作以超大規模的方式進行［11］。最早的高通量測序平臺是由生命科技公司（Life Sciences，后被Roche公司收購）于2005年推出的454測序儀，采用了焦磷酸測序法（Pyrosequencing）［12］。焦磷酸測序法掀開了二代測序技術的先河，并在生物科技行業中引起強烈反響，此后，AB和Illumina公司分別開發了SOLiD系列高通量測序儀和 HiSeq系列高通量測序儀［13-14］。目前，主流的HiSeq測序儀包括HiSeq2000、HiSeq2500、HiSeq4000和HiSeqX等。至此為止，測序技術已實現完全的智能化，極大推動了基因組測序的應用范圍，但仍存在樣本制備花費大、測序讀長短的不足［15-17］。

1.3 基因組三代測序技術

為彌補測序讀長短的問題，更新的測序技術逐步發展起來。先是強化版的二代測序技術（也稱二代半技術）——半導體測序技術（Ion Torrent）。它通過使用半導體芯片微孔固定模板DNA鏈后，依次摻入4種不同的dNTP分子，當正確的互補配對反應發生時，會釋放出一個游離氫離子；通過感應器檢測氫離子的變化便能實時讀取堿基序列的順序。半導體技術使測序的化學反應和數字信號之間建立起了直接的聯系，不需要對樣本進行熒光標記處理，避開了二代測序技術中復雜苛刻的光學技術要求，在加快測序速度的同時也簡化了對樣本處理要求［18］。目前基于半導體測序技術的測序儀，主要為 Life Technologies公司推出的Ion Torrent PGM測序儀和 Ion Proton測序儀。如今，單分子實時測序技術（Single molecule real-time，SMRT）已成為最廣為關注和應用的第三代測序技術，由Pacific Biosciences公司推出。該方法采用4種熒光標記的dNTP分子和被稱為零級波導（Zero-mode waveguides，ZMW）的納米結構對單個DNA分子進行測序。SMRT技術的最大優勢是它擁有超長的讀長，PacBio RSⅡ測序儀平均讀長達到了14 kb，并且能夠得到的最大讀長已經超過40 kb。與第二代測序技術相比而言，第三代測序技術在精準度方面并不具有優勢，錯誤率通常在15%左右［19］，而且對樣本的質量要求較高、測序成本也相對較高。

2 魚類基因組研究

對魚類基因組序列進行系統的研究，不僅可以獲得基因組大數據和重要功能基因的序列信息，而且對于理解魚類生物學特征、性別分化、生殖方式和調控模式的基本原理、闡明整個脊椎動物遺傳進化歷程，都具有重大意義。全基因組de novo測序也稱為從頭測序，不用依賴任何現有的序列資料，而直接對魚類的基因組進行測序，然后利用生物信息學分析手段對序列進行組裝和注釋，從而獲得該物種的基因組序列圖譜以及基因信息。

2.1 國外魚類基因組研究

硬骨魚類的物種豐富、品系繁多并且極易相互交配，往往難以得到純系品種。由于硬骨魚類之間基因組差別極大，雜合度高并且缺乏合適的物種作為模式參考基因組，因此，對硬骨魚類的基因組研究在很長一段時間內進展十分緩慢。斑馬魚（Danio rerio）是最早開始進行基因組測序的硬骨魚類，也是目前被廣泛研究的模式魚類。2000年，Sanger研究所就專門成立了斑馬魚研究中心（Sanger Institute Zebrafish Workshop）并于 2001年正式開始了對斑馬魚的測序工作，采用的是Sanger法進行測序組裝。隨著轉基因技術的興起，斑馬魚由于擁有幾乎透明的胚胎，方便基因敲除、編輯或超表達的研究，目前已成為最受歡迎的功能基因研究模式物種之一。斑馬魚基因組重復序列多，雖然經過了多次加測數據和重復組裝，但仍然有很多缺失之處［20］。此外，斑馬魚的基因組（1.4 Gb）不到人類基因組的一半（3.2 Gb），但是編碼基因的數目（26 097）卻要超過人類和大多數哺乳動物（20 300），基因復制現象十分普遍［21］。因此，對斑馬魚的基因組和基因功能的研究將是一個漫長過程。

迄今為止，國外研究者已經完成28個魚類物種的全基因組測序（表1）。2002年，日本科學家領銜的團隊通過全基因組鳥槍法率先完成了對紅鰭東方鲀（Takifugu rubripes）的基因組測序［9］。隨后，法國科學家Jaillon等［22］完成了對另一種綠河鲀（Tetraodon nigroviridis）的基因組測序并構建了其基因組精細圖。兩種河鲀的基因組測序完成后，通過和人類基因組比較發現，硬骨魚類和哺乳動物的分化時間大約在4.5億年前，并證實了魚類中存在第三次的全基因組復制事件。2007年，日本科學家Kasahara等［23］又完成了另一種重要硬骨魚類青鳉（Oryzias latipes）的基因組測序，進一步闡明了脊椎動物基因組系統進化問題。早期硬骨魚類基因組研究主要圍繞進化問題展開，隨著高通量測序組裝技術的發展，硬骨魚類的基因組研究也突破了往日技術和高額費用的瓶頸，有了較大的突破。2011年，大西洋鱈魚（Gadus morhua）的基因組測序完成并著重探討了其獨特的免疫系統［24］。2012年，三刺魚（Gasterosteus aculeatus）的基因組被公開發表并討論了鹽度適應性進化機制［25］。最近幾年，硬骨魚類的基因組研究有了突飛猛進式的發展，先后有劍尾魚［28］（Xiphophorus maculatus）、腔棘魚［29］（Latimeria chalumnae）、虹鱒［31］（Oncorhynchus mykiss）、尼羅羅非魚［33］（Oreochromis niloticus）、舌齒鱸［34］（Dicentrarchus labrax）、斑點叉尾鮰［38］（Ietalurus punetaus）、大西洋鯡［43］（Clupea harengus）、大西洋鮭（Salmo salar）［44］等硬骨魚類基因組被公布出來，主要研究了魚類復雜特性的進化規律、魚類鰭條分化、第四次全基因組復制、體色分化、鱗片形成及生態適應等機制。

2.2 國內魚類基因組研究

中國魚類基因組學研究雖然起步較晚，但是發展迅猛，特別是全基因組測序方面，部分研究成果已達到國際先進或領先水平。目前，已完成全基因組測序的硬骨魚類包括鯉魚（Cyprinus carpio）［45］、半滑舌鰨（Cynoglossus semilaevis）［46］、彈涂魚（Periophthalmus cantonensis）［47］、大黃魚（Larimichthys crocea）［48-49］、草魚（Ctenopharyngodon idellus）［50］、金線鲃（Sinocyclocheilus）［51］、亞洲龍魚（Scleropagesformosus）［52］、斑點叉尾鮰（Ietalurus punetaus）［53］、大銀魚（Protosalanx hyalocranius）［54］、褐牙鲆（Paralichthys olivaceus）［55］等10個物種。

表1 國外已完成全基因組測序的魚類物種清單

2011年，中國水產科學研究院、深圳華大基因研究院等單位以鯉魚雌核發育純系單個個體作為測序對象，啟動了我國魚類第一個全基因組測序計劃，也是世界上第一個鯉科經濟魚類基因組計劃，并于2014年完成了鯉魚全基因組測序［45］。結果顯示，鯉魚是目前完成全基因組測序研究物種中染色體數目最多的動物（50對染色體），鯉魚基因組大小約為1.7 Gb，測定了超過100倍覆蓋率的高質量數據，組裝所獲得的Scaffold N50為404 kb，含有52 610個功能基因，為多數硬骨魚類基因數目的兩倍。此外，還產生了7萬多條鯉魚BAC克隆末端序列、166萬條的表達序列標簽和由8萬多個BAC克隆組成的基因組物理圖譜。分子鐘證據表明，鯉魚基因組四倍化約發生在820萬年前，是迄今在脊椎動物中發現的最近的全基因組倍增事件。同時，對來自世界各地10個代表性品系（種群）的33尾鯉魚進行基因組重測序證實了鯉魚的兩個亞種鯉（C. carpio Haematopterus）和西鯉（C. carpio carpio）單一的起源，首次繪制了全球鯉魚的單堿基分辨率基因組遺傳變異圖譜。利用多態性掃描和比較轉錄組分析等方法，定位了鯉魚鱗被缺失、體色決定等性狀相關的遺傳位點、功能基因和調控通路。研究結果為脊椎動物基因組進化和基因衍化機制研究提供了模型。

2014年，中國水產科學研究院黃海水產研究所、深圳華大基因研究院等單位聯合完成了半滑舌鰨全基因組的測序和組裝，繪制了半滑舌鰨全基因組序列圖譜［46］，使半滑舌鰨成為世界上第一個測定了全基因組序列的鰈形目魚類。半滑舌鰨基因組大小為520 Mb，重復序列含量9.5%，基因2萬多個，其中18 000多個基因與其它物種具有不同程度的同源性。同時，結合高密度遺傳連鎖圖譜，構建了Z染色體精細圖譜和W染色體序列圖譜；其中，W染色體積聚了29.94%轉座元件和19.74%假基因，Z染色體則為13.13%和3.54%，而常染色體僅為4.33%和2.48%，半滑舌鰨性染色體高度分化。通過比較基因組分析發現，半滑舌鰨dmrt1基因是Z染色體連鎖、雄性特異表達、精巢發育必不可少的關鍵基因，表現出性別決定基因的特性。研究結果為其他脊椎動物性染色體進化和性別決定機制提供了借鑒，同時也為半滑舌鰨性別控制、全基因組選擇育種提供了重要的基因資源和技術手段。

2014年，深圳華大基因研究院對大彈涂魚屬（Boleophthalmus）、彈涂魚屬（Periophthalmus）、青彈涂魚屬（Scartelaos）和齒彈涂魚屬（Periophthalmodon）4種代表性的彈涂魚進行了全基因組測序，闡明了環境適應潛在的分子機制［47］。他們發現彈涂魚中一些先天免疫系統基因發生了擴增，有可能提高了對陸地病原體的防御能力。彈涂魚鰓中與氨排泄通路相關的基因經歷了正選擇，從而使彈涂魚對水環境的氨濃度更加耐受。而視覺相關的基因差異性地丟失或突變，暗示彈涂魚的眼睛也能適應陸地環境。此外，對暴露于空氣中的彈涂魚進行轉錄組分析，揭示出了響應缺氧上調或下調的一些調控信號通路。該研究為了解脊椎動物從水生向陸生過渡潛在的分子機制提供了一個寶貴的資源。

2014年，浙江海洋學院、上海交通大學、復旦大學等機構聯合破譯了大黃魚全基因組序列，構建了大黃魚基因組圖譜，基因組預估大小為728 Mb，具有19 362個蛋白質編碼基因［48］。分析發現大黃魚具有發育良好的先天免疫系統，形成了一套獨特的免疫模式，部分基因在大黃魚先天性免疫方面起重要作用。2015年，國家海洋局第三海洋研究所聯合浙江大學、深圳華大基因及中國海洋大學等單位構建BAC文庫后測序，進一步完成了大黃魚全基因精細圖譜繪制［49］。此次組裝的大黃魚基因組大小為679 M，包含25 401個蛋白編碼基因。研究結果顯示，大黃魚不僅具有發達的先天性免疫系統（與Wu等［48］的研究結果一致），還具有相對完整的獲得性免疫系統，其中大多數CD4+1型輔助性T細胞、CD4+2型輔助性T細胞和CD8+T細胞相關基因都存在于大黃魚基因組中。進一步研究還揭示了神經-內分泌-免疫/代謝新的調控網絡通路，在大黃魚腦應答低氧脅迫中發揮著重要的作用，皮膚黏液蛋白在大黃魚應對空氣暴露脅迫中的多重保護功能。

2015年，由中國科學院水生生物研究所、中國科學院國家基因研究中心和中山大學等機構合作完成草魚全基因組序列圖譜繪制［50］。研究分別對一尾雌性（人工減數分裂雌核發育個體）和一尾雄性（野生個體）草魚進行了全基因組測序，成功獲得雌性（0.9 Gb）和雄性（1.07 Gb）草魚基因組組裝序列。結果顯示，雌核發育的雌性草魚的基因組雜合度顯著降低，獲得了高質量的組裝序列；雄性野生草魚的基因組組裝質量明顯下降，其結果為雄性基因組特異片段的挖掘提供了基礎數據。結果還顯示，草魚基因組中并不存在纖維素降解酶基因；進一步通過比較轉錄組分析發現，草魚在草食性轉化過程中，腸道中晝夜節律相關基因的表達模式發生了重設，肝臟中甲羥戊酸通路和類固醇生物合成通路被激活。推測草魚通過持續高強度的食物攝入，獲取足夠的可利用營養以維持其快速生長。草魚全基因組序列的解析將為植食性魚類重要經濟性狀相關基因的發掘和養殖新品種的遺傳改良提供關鍵技術支撐。

2016年，中國科學院昆明動物研究所與深圳華大基因研究院合作利用高通量測序技術完成了地表種類——滇池金線鲃（Sinocyclocheilus grahami）；半洞穴種類——犀角金線鲃（Sinocyclocheilus rhinocerous）和洞穴種類——安水金線鲃（Sinocyclocheilus anshuie-nsis）3種金線鲃屬魚類的全基因組測序［51］，全基因組大小分別為1.75、1.73和1.68 Gb。研究發現，3種金線鲃種群動態變化與上新世以來青藏高原隆起的幾次大的地殼運動具有密切的相關性，青藏高原的隆升在很大程度上影響了魚類物種的形成。通過比較基因組研究發現，洞穴種類存在許多重要的基因丟失（如視蛋白基因）、突變（如色素相關基因）、假基因化（如晶狀體蛋白基因）、片段缺失（如鱗片相關的基因）的遺傳變化，這些改變可能是其眼睛退化、皮膚白化、鱗片退化等典型退化性性狀的重要遺傳機制。與之對應，一些味覺相關轉錄因子拷貝數發生了增加，這可能是其補償性進化性狀的一種反應。所以，洞穴種類味蕾數目比地表或半洞穴種類均要多。洞穴適應是一個漫長的過程，一些性狀的退化通常會伴隨著另一些性狀的增強，終年在黑暗洞穴的環境中，洞穴魚類展現出了與地表種類在極端環境適應中不一樣的生物學特性。研究首次報道了3種中國洞穴魚類的全基因組。

2016年，深圳華大基因研究院、新加坡國立大學淡馬錫生命科學研究院等單位組建國際合作研究團隊聯合破譯了美麗硬仆骨舌魚（俗稱金龍魚）（Scleropages formosus）全基因組圖譜，獲得高質量的染色體水平參考基因組（25對染色體），也完成了紅色美麗硬仆骨舌魚和青色美麗硬仆骨舌魚兩個亞種的基因組草圖［52］。金色美麗硬仆骨舌魚、紅色美麗硬仆骨舌魚和青色美麗硬仆骨舌魚3個亞種裝配后的基因組大小分別779 Mb、753 Mb和759 Mb。系統進化分析提出了一個新的觀點：骨舌總目和海鰱總目互為姐妹群，兩個演化支的組合與包含其他所有硬骨魚的骨鰾總目形成姐妹群。研究中還發現一個潛在的雌性異配性染色體，與已知ZW性別決定機制的半滑舌鰨基因組比對發現，美麗硬仆骨舌魚17號染色體與Z、W染色體匹配度最高（分別為89% 和 40%），推斷美麗硬仆骨舌魚為ZW/ZZ性別決定機制。

2016年，江蘇省淡水水產研究所與深圳華大基因研究院合作，對在國內養殖超過三代的斑點叉尾鮰進行全基因組測序，獲得高質量的基因組圖譜［53］。與同期發表的美國養殖斑點叉尾鮰序列［38］相比，有關的基因組數據存在一定的差異，可能與使用的分析軟件或參數設置等不同有關。新數據表明，斑點叉尾鮰的基因組大小估計為0.839 Gb，組裝為0.845 Gb，其中275.3 Mb為重復序列；注釋基因數達21 556個，為后續的染色體圖譜繪制和分子育種工作奠定了基礎。

2017年，中國水產科學研究院淡水漁業研究中心、深圳華大基因研究院等完成了大銀魚全基因組測序，獲得高質量的基因組圖譜［54］。結果顯示大銀魚的基因組大小估計為0.525 Gb，組裝為0.536 Gb，注釋基因數達19 884個，為后續的染色體圖譜繪制和體色分化研究奠定了基礎。

2017年，中國水產科學研究院黃海水產研究所、上海海洋大學、德國維爾茨堡大學、葡萄牙阿爾加夫大學、深圳華大基因研究院等聯合破譯了褐牙鲆全基因組序列，繪制了褐牙鲆染色體圖譜，通過與半滑舌鰨全基因組比較分析，初步揭示了比目魚類變態發育的分子機制［55］。通過比較基因組學分析，篩選到與細胞分裂和凋亡、眼睛大小調控、視網膜神經遞質、體軸發育、甲狀腺激素、視黃酸信號通路以及光傳導通路等比目魚變態過程中的生理和形態學變化密切相關的基因、基因家族，揭示了褐牙鲆眼睛的移動受到甲狀腺激素和視黃酸信號通路的拮抗調控，首次揭示了比目魚體色左右不對稱的形成機制。

3 展望

由于魚類種類多樣，生活環境多變，導致不同物種基因組結構差異較大，因此，魚類基因組研究是一個巨大的挑戰。經過全世界多個研究團隊15年的共同攻關，已經完成了近40種魚類的全基因組測序工作。其中，模式生物斑馬魚和青鳉全基因組測序的完成為后續發育學、免疫學等基礎研究提供了重要的參考數據；特別是重點解析了大西洋鱈魚、虹鱒、尼羅羅非魚、斑點叉尾鮰、半滑舌鰨、鯉魚和草魚等重要經濟物種的生長、免疫、食性轉化、體色、鹽度適應、性別等調控機制，為后續精準育種提供了重要的靶標基因。同時也包含彈涂魚、金線鲃等特殊生境物種，闡明了其為了適應特殊生境，而進化出的特殊免疫系統、視覺系統、氨排泄及低氧適應機制。

由此可見，魚類的全基因組研究已經取得了重要的研究進展。利用全基因的研究方法，人類第一次可以從系統生物學的層面去理解魚類的某個性狀，這種研究方法顯然更接近于生命本來的面貌。但是，已有研究中也顯示出目前的基因組測序技術有很多不足：已經完成的魚類基因組測序，除了早期斑馬魚的工作，其余均借助二代測序完成的。二代測序技術具有通量高及準確率高的特點，但是其讀長較短，這就迫使在基因組組裝過程中要不斷優化組裝方法，以達到更理想的組裝效果。從目前的情況來看，對于普通的二倍體物種，通過該方法基本可以達到理想的組裝效果，但是對于發生過基因組加倍和高復雜度的物種，目前的測序及組裝就很難達到理想效果。如斑馬魚全基因組重復序列多，給測序和組裝帶來了巨大的困難，經過BAC末端一代測序數據的補充及組裝算法的不斷優化，才達到了理想的組裝效果。在各個過程中，時間和資源的耗費也是巨大的。這就表明，目前的基因組測序和組裝技術有待于進一步升級，使其能夠輕松應對復雜基因組的解析。

要從根本上解決重復序列和基因組復雜度對全基因組測序和組裝的干擾，就要增加測序的單次讀長。而最近幾年興起的三代測序技術，就很好的解決了該問題。目前的三代測序，其平均N50讀長大于10 kb，這次技術的革新，將使魚類基因組的解析變得更加簡單、準確，是一場根本性的變革。當然，三代測序也不是完美的，其準確率明顯低于二代測序，只有通過增加測序深度或與二代結合，才能更完美地解決該問題。

由此可見，在不遠的將來，全基因組測序和組裝將不再是問題，未來基因組的發展必將轉向基因功能的解析。雖然已經開發出多種基因敲除和敲入的方法，且使用也日漸成熟；但是，這些方法的通量低，要使用這些方法將整個基因組的每個基因研究一遍，成本很高，且耗時很長。因此，未來必須開發一套高通量的基因功能解析方法，而基因組編輯技術正逐漸成為將魚類基因組數據轉化為基因功能和應用信息的最主要手段之一，目前被廣泛采用的核酸酶介導基因組編輯技術主要包括3種：鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases，ZFNs）技術、轉錄激活因子樣效應蛋白核酸酶（Transcription activator-like effector nucleases，TALENs）技術及CRISPR/Cas9（Clustered regularly interspacedshort palindromic repeats and CRISPR associated）技術。其中，CRISPR/Cas9作為基因編輯工具，一經問世便受到了魚類基因編輯領域科研工作者的追捧；隨著這些高通量方法和基因組編輯技術的日漸成熟，人類也才有可能真正解讀魚類基因組，從真正意義上實現魚類基因組水平的精準應用。

［1］孫瀚昌. 魚類基因組研究概述［J］. 北京水產, 2015（1）：41-43.

［2］Weissenbach J. The rise of genomics［J］. Comptes Rendus Biologies, 2016, 339（7-8）：231-239.

［3］Brown LR. Who will feed china？：Wake-up call for a small Planet［M］. New York：W. W. Norton & Company, 1995：1-163.

［4］ Anderson S. Shotgun DNA sequencing using cloned DNase I-generated fragments［J］. Nucleic Acids Research, 1981, 9：3015-3027.

［5］ Lander ES, Linton LM, Birren B, et al. Intital sequencing and analysis of the human genome［J］. Nature, 2001, 409：860-921.

［6］ Fleischmann RD, Adams MD, White O, et al. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd. ［J］. Science, 1995, 269：496-512.

［7］Adams MD, Celniker SE, Holt RA, et al. The genome sequence of Drosophila melanogaster［J］. Science, 2000, 287：2185-2195.

［8］Venter JC, Adams MD, Myers EW, et al. The sequence of the human genome［J］. Science, 2001, 291：1304-1351.

［9］Aparicio S, Chapman J, Stupka E, et al. Whole-genome shotgun assembly and analysis of the genome of Fugu rubripes［J］. Science, 2002, 297：1301-1310.

［10］Sanger F, Air GM, Barrell BG, et al. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X 174 DNA［J］. Nature, 1977, 265：687-695.

［11］Seo TS, Bai XP, Kim DH, et al. Four-color DNA sequencing by synthesis on a chip using photocleavable fluorescent nucleotides［J］. PNAS, 2005, 102（17）：5926-5931.

［12］Wheeler DA, Srinivasan M, Egholm M, et al. The complete genome of an individual by massively parallel DNA sequencing［J］. Nature, 2008, 452：872-876.

［13］Bentley DR, Balasubbramanian S, Swerdlow HP, et al. Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry［J］. Nature, 2008, 456：53-59.

［14］McKernan KJ, Peckham HE, Costa GL, et al. Sequence and structural variation in a human genome uncovered by shortread, massively parallel ligation sequencing using two-base encoding［J］. Genome Research, 2009, 19：1527-1541.

［15］Schuster SC. Next-generation sequencing transforms today’s biology［J］. Nature Methods, 2008, 5：16-18.

［16］Metzker ML. Sequencing technologies-the next generation［J］. Nature Reviews Genetics, 2010, 11：31-46.

［17］Liu LD, Li YH, Li SL, et al. Comparison of next-generation sequencing systems［J］. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2012, doi:1155/2012/251364.

［18］Rothberg JM, Hinz W, Rearick TM, et al. An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing［J］. Nature, 2011, 475：348-352.

［19］Liao YC, Lin SH, Lin HH. Completing bacterial genome assemblies：strategy and performance comparisons［J］. Scientific Reports, 2015, 5：8747.

［20］Howe K, Clark MD, Torroja CF, et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome［J］. Nature, 2013, 496：498-503.

［21］Kettleborough RNW, Busch-Nentwich EM, Harvey SA, et al. Asystematic genome-wide analysis of zebrafish protein-coding gene function［J］. Nature, 2013, 496：494-497.

［22］Jaillon O, Aury JM, Brunet F, et al. Genome duplication in the teleost fish Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate protokaryotype［J］. Nature, 2004, 431：946-957.

［23］Kasahara M, Naruse K, Sasaki S, et al. The medaka draft genome and insights into vertebrate genome evolution［J］. Nature, 2007, 447：714-719.

［24］Star B, Nederbragt AJ, Jentoft S, et al. The genome sequence of Atlantic cod reveals a unique immune system［J］. Nature, 2011, 477：207-210.

［25］Jones FC, Grabherr MG, Chan YF, et al. The genomic basis of adaptive evolution in threespine sticklebacks［J］. Nature, 2012, 484：55-61.

［26］Davidson WS, Koop BF, Jones SJ, et al. Sequencing the genome of the Atlantic salmon（Salmo salar）［J］. Genome Biology, 2010, 11（9）：403.

［27］Henkel CV, Dirks RP, de Wijze DLD, et al. First draft genome sequence of the Japanese eel, Anguilla japonica［J］. Gene, 2012, 511（2）：195-201.

［28］Schartl M, Walter RB, Shen Y, et al. The genome of the platyfish, Xiphophorus maculatus, provides insights into evolutionary adaptation and several complex traits［J］. Nature Genetics, 2013, 45：567-572.

［29］Amemiya CT, Alf?ldi J, Lee AP, et al. The African coelacanth genome provides insights into tetrapod evolution［J］. Nature, 2013, 496：311-316.

［30］Nakamura Y, Mori K, Saitoh K, et al. Evolutionary changes of multiple visual pigment genes in the complete genome of Pacific bluefin tuna［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110（27）：11061-11066.

［31］Berthelot C, Brunet F, Chalopin D, et al. The rainbow trout genome provides novel insights into evolution after whole-genome dulication in vertebrates［J］. Nature comunications, 2014, 5：3657.

［32］Shin SC, Ahn DH, Kim SJ, et al. The genome sequence of the Antarctic bullhead notothen reveals evolutionary adaptations to a cold environment［J］. Genome Biology, 2014, 15（9）：468.

［33］Brawand D, Wagner CE, Li YI, et al. The genome substrate for adaptive radiation in African cichlid fish［J］. Nature, 2014, 513：375-381.

［34］Tine M, Kuhl H, Gagnaire PA, et al. European sea bass genome and its variation provide insights into adaptation to euryhalinity and speciation［J］. Nature Comunications, 2014, 5：5770.

［35］Rondeau EB, Minkley DR, Leong JS, et al. The genome and linkage map of the northern pike（Esox lucius）：conserved synteny revealed between the salmonid sister group and the Neoteleostei［J］. PLoS One, 2014, 9（7）：e102089.

［36］Gallant JR, Traeger LL, Volkening JD, et al. Nonhuman genetics. Genomic basis for the convergent evolution of electric organs［J］. Science, 2014, 344（6191）：1522-1525.

［37］Mcgaugh SE, Gross JB, Aken B, et al. The cavefish genome reveals candidate genes for eye loss［J］. Nature Communications, 2014, 5：5307.

［38］Liu ZJ, Liu SK, Yao J, et al. The channel catfish genome sequence provides insights into the evolution of scale formation in teleosts［J］. Nature Comunications, 2016, 7：11757.

［39］Domingos JA, Zenger KR, Jerry DR. Whole-genome shotgun sequence assembly enables rapid gene characterization in the tropical fish barramundi, Lates calcarifer［J］. Animal Genetics, 2015, 46（4）：468-469.

［40］Arthofer W, Bertini L, Caruso C, et al. Genomic resources notes accepted 1 February 2015-31 March 2015［J］. Molecular Ecology Resources, 2015, 15（4）：1014-1015.

［41］Fraser BA, Künstner A, Reznick DN, et al. Population genomics of natural and experimental populations of guppies（Poecilia reticulata）［J］. Molecular Ecology, 2015, 24（2）：389-408.

［42］Harel I, Benayoun BA, Machado B, et al. A platform for rapid exploration of aging and diseases in a naturally short-lived vertebrate［J］. Cell, 2015, 160（5）：1013-1026.

［43］Barrio M, Lamichhaney S, Fan GY, et al. The genetic basis for ecological adaptation of the Atlantic herring revealed by genome sequencing［J］. Elife, 2016, 5：e12081.

［44］Lien S, Koop BF, Sandve SR, et al. The Atlantic salmon genome provides insights into rediploidization［J］. Nature, 2016, 533：200-205.

［45］Xu P, Zhang XF, Wang XM, et al. Genome sequence and genetic diversity of the common carp, Cyprinus carpio［J］. Nature Genetics, 2014, 46：1212-1249.

［46］Chen SL, Zhang GJ, Shao CW, et al. Whole-genome sequence of a flatfish provides insights into ZW sex chromosome evolution andadaptation to a benthic lifestyle［J］. Nature Genetics, 2014, 46：253-260.

［47］You XX, Bian C, Zan QJ, et al. Mudskipper genomes provide insights into the terrestrial adaptation of amphibious fishes［J］. Nature Comunications, 2014, 5：5594.

［48］Wu CW, Zhang D, Kan MY, et al. The draft genome of the large yellow croaker reveals well-developed innate immunity［J］. Nature Comunications, 2014, 5：5227.

［49］Ao JQ, Mu YN, Xiang LX, et al. Genome sequencing of the perciform fish Larimichthys crocea provides insights into molecular and genetic mechanisms of stress adaptation［J］. PLoS Genetics, 2015, 11（4）：e1005118.

［50］Wang YP, Lu Y, Zhang Y, et al. The draft genome of the grass carp（Ctenopharyngodon idellus）provides insights into its evolution and vegetarian adaptation［J］. Nature Genetics, 2015, 47：625-631.

［51］Yang JX, Chen XL, Bai J, et al. The Sinocyclocheilus cavefish genome provides insights into cave adaptation［J］. BMC Biology, 2016, 14：1.

［52］Bian C, Hu Y, Ravi V, et al. The Asian arowana（Scleropages formosus）genome provides new insights into the evolution of an early lineage of teleosts［J］. Scientific Reports, 2016, 6：24501.

［53］Chen XH, Zhong LQ, Bian C, et al. High-quality genome assembly of channel catfish, Ictalurus punctatus［J］. Gigascience, 2016, 5（1）：39.

［54］Liu K, Xu DP, Li J, et al. Whole genome sequencing of Chinese clearhead icefish, Protosalanx hyalocranius［J］. Gigascience, 2017, 6（4）：1-6.

［55］Shao CW, Bao BL, Xie ZY, et al. The genome and transcriptome of Japanese flounder provide insights into flatfish asymmetry［J］. Nature Genetics, 2017, 49：119-124.

（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Fish Genomics

XU Gang-chun1，2DU Fu-kuan2BIAN Chao3SHI Qiong3XU Pao1，2
（1. Wuxi Fisheries College，Nanjing Agricultural University，Wuxi 214081；2. Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization，Ministry of Agriculture，Freshwater Fisheries Research Center，Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuxi 214081；3. BGI Shenzhen Academy of Marine Sciences，BGI，Shenzhen 518083）

Fish genome sequencing is utilized for searching the genomics sequence information，subsequently clarifying the fish biological characteristics，and the relationship between the phenotypic variation and genome structures.. It has great applicable potential in fish research and economic fields，such as germplasm identification，genetic breeding，animal nutrition，environmental toxicology，disease control，and so on. Since the first report of zebrafish genome sequencing in 2001，nearly 40 fish genomes have been sequenced and published，which also illuminated their related biological characteristics and provided comprehensive interpretation of genetic evolution with high-yield and low-cost development of the genome sequencing technologies. The main aim of this review is to summarize research progress on the whole genome sequencing technology and the deep data analyses of fish genomes，and to further understand the recent development of fish genome researches and application prospects，so as to provide comprehensive references for subsequent fish genome researches.

fish；genome；genomics

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0290

2017-04-03

國家自然科學基金面上項目（31672643），江蘇省水產三新工程重大專項（D2015-14），江蘇省科技成果轉化專項（BA2015167）

徐鋼春，男，副研究員；研究方向：魚類繁育分子生物學；E-mail: xugc@ffrc.cn

徐跑，男，研究員，博士生導師；研究方向：遺傳育種及健康養殖；E-mail: xup@ffrc.cn