全基因组复制或多倍体化被认为是物种进化创新和生态适应的驱动力，研究证实基于该过程形成的多倍体育种，往往伴随着生物性状的改变和创新，对于获得优良性状具有重大价值，可产生显著的经济效益和社会效益。
湖南省水产产业技术体系顾问刘少军院士科研团队利用红鲫（2n=100，♀）×团头鲂（2n=48，♂）亚科间的远缘杂交研究，在杂交F1代中获得了两性可育的异源四倍体鲫鲂群体。部分F1代异源四倍体鲫鲂在减数分裂过程中表现出异常染色体行为，可产生含有2套红鲫染色体的同源二倍体配子，最终在其自交后代中获得了由4套红鲫染色体构成的同源四倍体鲫（4n=200）。遗传组成上，同源四倍体鲫来源于红鲫的全基因组复制，然而，两者表现出显著的性状差异，最为明显的是红鲫体表通红并伴有体色变迁机制，同源四倍体鲫则一直呈现为棕黄色（图1）。迄今为止，关于同源多倍化后遗传和性状改变的研究主要集中在植物上，很少有关于鱼类的研究报道。因此，遗传背景清晰的同源四倍体鲫是研究同源多倍化后体色形成和变异的理想模型。
图1. 红鲫和同源四倍体鲫外形图；（A）红鲫外形图；（B）同源四倍体鲫外形图
近期，本团队在Zoological Research期刊（IF：4.9，SCI一区）上发表了题为“Identification and effective regulation of scarb1 gene involved in pigmentation change in autotetraploid Carassius auratus”的文章（2024, 45（2）:381−397）（图2）。研究人员结合多种方法以探究同源四倍体鲫体色形成和变异的分子调控机制，该研究是首次利用基因敲除技术探究同源四倍体鱼体色形成和变异的研究报道。
图2. 期刊见刊页
该研究明确了红鲫和同源四倍体鲫皮肤色素细胞和色素的组成和含量，并结合转录组测序分析鉴定到与类胡萝卜素代谢相关的关键色素基因（scarb1）。随后，通过利用CRISPR/Cas9技术敲除该基因，构建了橙黄色的单基因敲除红鲫突变体以及橙黄色皮肤中镶嵌白色或浅黄色条纹或斑块的双基因敲除红鲫突变体（图3）。同源四倍体鲫存在4个遗传组成不同的scarb1同源基因：两个来自红鲫的原始scarb1同源基因和两个复制scarb1同源基因。此外，通过对原始和复制scarb1同源基因及其等位基因进行精准敲除，单基因敲除和多基因敲除同源四倍体鲫突变体体色均表现为从棕黄色到青灰色的转变（图4）。同时，青灰色区域占鱼体面积比表现出基因剂量效应。该研究证实复制scarb1存在亚功能化，且各同源基因协同平等地参与同源四倍体鲫体色的形成。
图3. 体色变异红鲫外形图；（A）单基因敲除红鲫外形图；（B）多基因敲除红鲫外形图
图4. 体色变异同源四倍体鲫外形图；（A）单基因敲除同源四倍体鲫外形图；（B）多基因敲除同源四倍体鲫外形图
湖南省水产产业技术体系首席专家覃钦博教授、体系顾问刘少军院士为该论文的通讯作者，许细丹博士为该论文的第一作者。该论文得到国家自然科学基金面上项目、湖南省创新型省份建设专项项目等的资助。
文章链接：https://www.zoores.ac.cn/en/article/doi/10.24272/j.issn.2095-8137.2023.293
