中国水产科学  2021, Vol. 28 Issue (08): 939-947  DOI: 10.12264/JFSC2020-0610
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引用本文 

傅建军, 朱文彬, 罗文韬, 王兰梅, 罗明坤, 董在杰. 不同体色鲤的生长、酪氨酸酶活性、黑色素含量及基因表达比较. 中国水产科学, 2021, 28(08): 939-947. DOI: 10.12264/JFSC2020-0610.
FU Jianjun, ZHU Wenbin, LUO Wentao, WANG Lanmei, LUO Mingkun, DONG Zaijie. Comparison of growth, tyrosinase activity, melanin content, and gene expression between common carps with different pigmentations. , 2021, 28(08): 939-947. DOI: 10.12264/JFSC2020-0610.

基金项目

国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-45-05);中国水产科学研究院基本科研业务费项目(2020TD37);中国水产科学研究院淡水渔业研究中心基本科研业务费项目(2019JBFM03).

作者简介

傅建军(1986–), 男,博士,助理研究员,研究方向为鱼类种质资源与遗传改良. E-mail: fujj@ffrc.cn

通信作者

董在杰,研究员,研究方向为鱼类种质资源与遗传改良. E-mail: dongzj@ffrc.cn

文章历史

收稿日期:2020-12-31
修改日期:2021-01-26
不同体色鲤的生长、酪氨酸酶活性、黑色素含量及基因表达比较
傅建军1,朱文彬1,罗文韬2,王兰梅1,罗明坤1,董在杰1,2,     
1. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心,农业农村部淡水渔业与种质资源利用重点实验室,江苏 无锡 214081;
2. 南京农业大学无锡渔业学院,江苏 无锡 214128
摘要:‘福瑞鲤2号’鲤(Cyprinus carpio)在繁育过程中会出现橘红色个体,为了探讨鲤体色分化与生长性能的相关性,利用‘福瑞鲤2号’构建具有青灰色和橘红色个体的家系,并对其生长性状、酪氨酸酶活性、黑色素含量、黑色素合成通路(ko04916)及生长激素合成、释放和效应通路(ko04935)相关基因的表达水平进行比较。结果显示,青灰色组3月龄体重、体长、体高和体厚均极显著大于橘红色组(P<0.01), 其体长/体高显著大于橘红色组(P<0.05)。青灰色组皮肤中酪氨酸酶活性和黑色素含量均显著高于橘红色组(P<0.05)。与青灰色组相比,dctmc1rmitfbtyrtyrp1等12个黑色素合成通路(ko04916)基因在橘红色组皮肤中的表达量显著(P<0.05)或极显著降低(P<0.01), 且ghghrigf2等6个生长激素合成、释放和效应通路(ko04935)基因在橘红色组肌肉中的表达量也显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)降低。此外,代谢通路内基因呈现共表达模式,代谢通路间共有基因在组织间呈现相似表达趋势。研究表明,鲤体色变异与黑色素合成通路存在密切关系,且不同体色个体表现出生长差异,推测与体色和生长调控通路间存在相同基因有关。
关键词    体色    生长    酪氨酸酶    黑色素    基因表达    
Comparison of growth, tyrosinase activity, melanin content, and gene expression between common carps with different pigmentations
FU Jianjun1,ZHU Wenbin1,LUO Wentao2,WANG Lanmei1,LUO Mingkun1,DONG Zaijie,1,2    
1. Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resource Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China;
2. Wuxi Fisheries College, Nanjing Agricultural University, Wuxi 214128, China
Abstract:Some orange individuals have been found in certain families of the 'FFRC No. 2’ strain of common carp (Cyprinus carpio) during reproduction. This study aimed to unveil the pigmentation variation and its correlations with growth performance by determining the differences in growth traits, tyrosinase activity, melanin content, and gene expression between gray and orange individuals of 'FFRC No. 2’ strain common carp. Based on growth trait comparisons after three months, the body weight (BW), standard length (SL), body depth (BD), and body thickness (BT) in the gray group were higher than those in the orange group (P<0.01), and the SL/BD ratio in the gray group was higher than that in the orange group (P<0.05). The tyrosinase activity and melanin content were significantly higher in the gray group than in the orange group (P<0.05). Compared to the gray group, 12 genes (dct, frizzed, kita, mc1r, mitfb, pka, pkc, raf, ras, tyr, tyrp1, and wnt3) of the melanogenesis pathway (ko04916) were down-regulated in the skin of the orange group (P<0.05, or P<0.01), whereas six genes (gh, ghr, igf2, pkc, raf, and ras) of the growth hormone synthesis, secretion and action pathway (ko04935) were synchronously down-regulated in the muscle of the orange group (P<0.05, or P<0.01). Furthermore, the co-expression patterns of genes were detected within pathways, and the shared genes of pathways showed similar expression patterns in different tissues. The results indicated that the pigmentation variation of C. carpio was highly associated with the melanogenesis pathway, and different growths were presented in C. carpio with different pigmentations. This correlation might be due to the same genes being shared between pathways related to color and growth.
Key words Cyprinus carpio     pigmentation    growth    tyrosinase    melanin    gene expression    

鱼类体色较复杂,具有黑色素细胞、红色素细胞、黄色素细胞、虹彩细胞、蓝色素细胞和白色素细胞[1]。鱼类黑色素细胞仅合成真黑色素,而不能合成褐黑色素,其丰富的体色通过不同色素细胞合成相应色素以及色素细胞间互作形成[2]。随着鱼类体色细胞及色素合成相关研究[3-5]的不断积累,当前对鱼类体色调控机制的认知不断深入,尤其是对黑色素细胞形成及黑色素合成相关机制的解析日渐清晰[1,6]

鲤(Cyprinus carpio)在全球范围具有广泛分布,并具有诸多体色变异特征的变种或品种,如锦鲤(C. carpio var. koi)、瓯江彩鲤(C. carpio var. color)、荷包红鲤(C. carpio var. wuyuanensis)和兴国红鲤(C. carpio var. xinguonensis)等。Katasonov[7]认为锦鲤的橘红色表型由2个隐形基因控制,当2个隐形基因纯合导致黑色素细胞缺失时仅由黄色素细胞起作用。Białowąs[8]和张建森等[9]在不同体色鲤配对获得的子二代中均发现橘红色与青灰色个体的比率为1 : 15, 这符合2个位点控制的推论。近年来,从分子水平对鲤体色调控机制的研究已有较多开展,包括转录组测序分析[10-13]及对相关基因或调控因子的研究[14-18]。这些研究为鱼类体色分化和调控机制的遗传解析提供了丰富的参考数据,尤其加深了对鲤黑色素合成通路相关基因及其表达调控的认知。

作为兼具食用和观赏价值的经济鱼类,鲤的生长和体色都是重要的表型性状。在鲤的种质改良和利用实践中,不同体色群体或变种常被用于开展杂交试验从而提高生长性能[9,19]。其中,建鲤(C. carpio var. jian)是基于杂交、家系选育和雌核发育等方法人工培育的鲤品种,其原始亲本之一就是荷包红鲤。利用建鲤、黄河鲤(C. carpio haematopterus Temincket Schlegel)和黑龙江鲤(C. carpio haematopterus)进行完全双列杂交构建基础群体[20], 并进而培育出的新品种‘福瑞鲤2号’, 目前已取得广泛的推广养殖。由于具有荷包红鲤的遗传来源,在‘福瑞鲤2号’的繁育过程中会有橘红色个体出现。据Białowąs[8]报道,橘红色个体相较于野生型个体普遍表为生长慢和存活率低等特点。朱丽艳等[21]和钱永生等[22]研究发现不同体色瓯江彩鲤的生长性能存在显著差异。王兰梅等[23]针对‘福瑞鲤2号’生长速度差异个体肌肉组织开展了转录组分析,并发现存在诸多差异表达基因。然而,‘福瑞鲤2号’不同体色个体生长差异的分子生物学机制还未见报道。该研究利用‘福瑞鲤2号’构建家系,对青灰色和橘红色个体在生长性能、酪氨酸酶活性、黑色素含量、黑色素合成通路(ko04916)及生长激素合成、释放和效应通路(ko04935)基因表达开展研究,探讨体色变异与生长性能的相关性,以期为‘福瑞鲤2号’的种质改良和利用提供数据参考。

1 材料与方法 1.1 实验材料和生长数据采集

2019年4月,利用‘福瑞鲤2号’为亲本,于中国水产科学研究院淡水渔业研究中心宜兴屺亭基地开展人工配组。基于系谱关系,设计了4组可能出现体色分化的繁殖配组; 亲鱼采用室内水泥池内设置网箱,并挂棕榈片的方式开展人工繁殖。鱼苗孵化后,获得1个存在体色分化的家系,并饲养于规格为700 cm×435 cm×120 cm的室内水泥池中,养殖用水为曝气地下水。2019年7月,随机挑选青灰色和橘红色个体各30尾,用丁香油麻醉后,采用电子秤称量体重(精确度为0.1 g), 采用量鱼板和刻度尺测量体长、体高和体厚(精确度为0.1 cm)。

1.2 酪氨酸酶活性和黑色素含量测定

随机采集青灰色和橘红色个体各5尾,用丁香油麻醉后,采集血液(1 mL)和背部皮肤组织(60 mg), 样本分别标注为G01、G02、G03、G04和G05 (青灰色个体), O01、O02、O03、O04和O05 (橘红色个体)。分别将血液离心取上清,皮肤组织加1 mL PBS溶液,匀浆后离心取上清,置于4 ℃待测。酪氨酸酶活性和黑色素含量采用双抗体一步夹心法酶联免疫吸附测定,具体操作参照相应的试剂盒(臻科生物,中国)。

1.3 实时荧光定量PCR (qPCR)

对上述10尾实验鱼分别采集背部皮肤和肌肉组织,样本按照TRIzol法(康为世纪,中国)进行总RNA提取,利用NanoDrop紫外分光光度计(Thermo, 德国)检测核酸浓度,并通过2%琼脂糖凝胶电泳检测其完整性。然后,用HiScript® III RT SuperMix试剂盒(诺唯赞,中国)将500 ng的总RNA反转录成cDNA模板。

参考KEGG (www.kegg.jp)代谢通路和NCBI (www.ncbi.nlm.nih.gov)上鲤基因序列信息,挑选并设计ko04916 (黑色素合成)、ko04935 (生长激素合成、释放和效应)代谢通路相关基因和β-actin共20个基因的qPCR引物(表1)。实时荧光定量PCR采用CFX96TM Real-time System (Bio-Rad, 美国)完成,进行qPCR测定时,每个样本设置3个重复; 反应体系为20 μL: 2×ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix (诺唯赞,中国) 10 μL, 上下游引物(10 μmol)各0.5 μL, cDNA模板1.5 μL和ddH2O 7.5 μL。反应程序: 95 ℃ 30 s, 预变性; 95 ℃ 5 s, 60 ℃ 30 s, 共40扩增循环; 95 ℃ 15 s, 60 ℃ 60 s, 95 ℃15 s, 读取熔解曲线。实验结果以β-actin为内参,采用2-∆∆Ct方法计算基因的相对表达量[24]

1.4 数据处理和分析

对实验获得的生长性状、酪氨酸酶活性、黑色素含量和基因相对表达量等数据进行整理,并检验组间差异显著性(T检验)。基于基因的相对表达量,进行主成分分析(principal component analysis, PCA), 并制作样本散点图。分析基因间的线性相关(Pearson), 并利用Cytoscape软件[25]基于基因间的显著线性关系(P<0.05)构建共表达网络。所述T检验、线性相关、主成分分析及散点图制作均在R程序(www.R-project.org)中完成。

表1  鲤基因qPCR引物序列信息表 Tab. 1 The primer sequence information for qPCR of genes in Cyprinus carpio
2 结果与分析 2.1 生长性状比较

本研究获得1个具有体色分化(图1)的家系材料。青灰色组的3月龄体重、体长、体高和体厚均极显著高于橘红色组(P<0.01), 其体长/体高显著大于橘红色组(P<0.05)(表2)。基于体重和体长的个体散点图(图2), 多数橘红色个体小于青灰色个体,但也存在少量橘红色个体生长表现与青灰色个体相当。

图1  青灰色和橘红色‘福瑞鲤2号’个体 Fig. 1  The Cyprinus carpio (FFRC No. 2 strain) individuals with gray and orange skin color
表2  不同体色鲤3月龄表型性状描述性统计 Tab. 2  Descriptive statistics of phenotypic traits in three-month Cyprinus carpio with different pigmentation n=30; $\bar{x}\pm \text{SE}$
图2  不同体色鲤生长性状的个体散点图 Fig. 2  Scatter plot for growth traits in Cyprinus carpio individuals with different colors
2.2 酪氨酸酶活性和黑色素含量比较

青灰色组的血液和皮肤中酪氨酸酶活性均显著高于橘红色组(P<0.05) (图3a)。青灰色组血液中黑色素含量高于橘红色组,但未达显著水平(P>0.05); 而青灰色组皮肤中黑色素含量显著高于橘红色组(P<0.05)(图3b)。

图3  不同体色鲤血液和皮肤中酪氨酸酶活性(a)和黑色素含量(b)*和**分别表示显著(P<0.05)和极显著差异(P<0.01). Fig. 3  Tyrosinase activity (a) and melanin content (b) in blood and skin of different color Cyprinus carpio * and ** means significant difference (P<0.05) and extremely significant difference (P<0.01), respectively.
2.3 基因的相对表达量分析

基于19个ko04916和ko04935通路基因相对表达量数据,对‘福瑞鲤2号’个体制作主成分分析散点图(图4), 结果显示青灰色和橘红色个体能获得有效区分。

图4  基于基因相对表达量的不同体色鲤主成分分析散点图 Fig. 4  Scatter plot of different color Cyprinus carpio individuals based on gene relative expression data

基因相对表达量在不同体色个体间存在差异(表3)。在皮肤中,dctmc1rmitfbtyrtyrp1等12个ko04916通路基因在青灰色组的相对表达量显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)高于橘红色组的相对表达量,而mitfa基因在青灰色组的相对表达量极显著低于橘红色组的相对表达量(P<0.01)。在肌肉中,ghghrigf2等6个ko04935通路基因在青灰色组的相对表达量显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)高于橘红色组的相对表达量。此外,pkapkcrafras为ko04916和ko04935通路间共有基因,且在青灰色组的皮肤和肌肉中均呈现更高的表达水平; 其中,pkcrafras在皮肤与肌肉的相对表达量间相关系数分别为0.79 (P<0.01)、0.76 (P<0.05)和0.73 (P<0.05)。

基于相对表达量的线性关系构建了2个代谢通路相关基因的共表达网络(图5)。其中,mitfakitarasmc1rfrizzedwnt3存在显著负相关(P<0.05), 其余基因间均存在显著的正相关(P< 0.05)。

表3  鲤基因相对表达量统计结果 Tab. 3 Relative expression levels of genes in Cyprinus carpio n = 5; $\bar{x}\pm \text{SE}$
3 讨论

鲤的体色通常为青灰色,较普遍出现的体色变异为橘红色,如荷包红鲤和兴国红鲤。可以利用不同表型特征的鲤品种(或群体)开展杂交试验,研究其体色分化及其生长差异。据Białowąs[8]的报道,在欧洲也常发现有橘红色的鲤个体表现出更低的存活率和生长性能; 并利用杂交子二代开展了体色分化等研究。Liu等[26]利用鲤鲫(Carassius auatus)核质杂种与散鳞镜鲤开展双列杂交试验,其中橘红色组合的生长性能普遍低于其他组合。在对瓯江彩鲤的研究中,朱丽艳等[21]和钱永生等[22]分别在群体间(交配组合)和家系内均发现具有大块黑斑的“大花”和“粉花”个体具有生长优势。本研究中,同一家系内橘红色组的生长性能极显著低于青灰色组(P<0.01), 结果与上述报道相似; 但在橘红色组中也存在少量具有生长优势的个体,这为进一步选择利用提供可能。此外,不同体色组别的体型也表现出差异,橘红色组的体长/体高比值较小,可能与其原始祖先来源的荷包红鲤具有橘红色和高背等特点[9]有关,分析表型上存在部分“返祖”现象。上述研究表明,鱼类在体色和生长这两种表型存在一定联系。

图5  鲤皮肤和肌肉中基因的共表达网络(橘红色对比青灰色) Fig. 5  Co-expression network of genes in skin and muscle of Cyprinus carpio (orang color vs. gray color)

酪氨酸酶是黑色素合成通路的限速酶,其活性对鱼类体色具有重要调控作用。研究发现,鱼体酪氨酸酶活性和(或)黑色素含量存在关联性,并受遗传[27]、营养[28-29]、环境条件[30-31]和发育阶段[14]等因素影响。邓成等[27]研究发现豹纹鳃棘鲈(Plectropomus leopardus)体色变异个体在色素及酶含量等方面存在差异,黑色个体皮肤和血液中的黑色素含量显著高于红色个体。程炜轩等[28]在对黄颡鱼(Pelteobagrus fulvidraco)的研究中发现不同组别皮肤中酪氨酸酶活力与黑色素含量变化趋势一致。该研究中,青灰色组血液和皮肤中的酪氨酸酶活性分别极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)高于橘红色组,且青灰色组皮肤中黑色素含量也显著高于橘红色组(P<0.05)。因此,认为黑色素合成对鱼类体色变异存在重要影响,其含量能较好反映鱼类体色差异水平; 在黑色素合成过程中,血液可能起到生物合成和运输等功能,而皮肤通过黑色素累积并呈现相应的表型特征。

此外,在鱼类体色研究中,发现黑色素含量存在差异的组在生长性能上也存在一定差异[29-30]。Chatzifotis等[29]和赵宁宁等[30]分别在对真鲷(Pagrus pagrus)和豹纹鳃棘鲈的研究中均发现,黑色素含量最高的实验组相应的生长性能也最佳。然而,王兰梅等[31]在对红罗非鱼(Oreochromis spp.)的研究中发现低温实验组皮肤的黑色素细胞数量更多,且背部皮肤变黑,但是其生长性能和酪氨酸酶活性却较低; 这推测与鱼类属变温动物有关,温度是影响鱼体生长代谢速率的重要因素。因此,推测特定生理情况下鱼类酪氨酸酶活力、黑色素含量和生长性能间存在关联。

基于鲤的转录组研究[10-13,23], 发现其体色和生长差异往往可以通过基因的差异表达得到体现,而皮肤和肌肉分别是呈现体色和生长差异的重要组织。本研究基于体色和生长相关基因分别在皮肤和肌肉中的相对表达量,对不同体色鲤个体的主成分分析结果显示,所选基因能较好地反映组间差异。黑色素合成通路(ko04916)基因常被用于鱼类体色机制研究。王巍等[32]和王良炎等[33]均发现tyr基因在锦鲤黑色皮肤中的表达量高于其他皮肤; Bar等[34]发现mc1r基因在锦鲤幼鱼黑色素形成和黑色个体中具有更高表达。本研究中,dctmc1rmitfbtyrtyrp1等12个ko04916通路基因在青灰色组皮肤中的表达量显著或极显著高于橘红色组(P<0.05或P<0.01), 而asip基因(对黑色素合成起抑制作用[35])在橘红色组中呈现更高表达水平,这与黑色素含量的组间差异相符。研究发现,mitfamitfb基因在组间均呈现差异性表达,但表达趋势却相反,类似现象在鲤[16]和鲫[36]的相关研究中也有发现。mitfa基因被认为对黑色素生成具有重要调控作用,且在其他色素形成过程同样发挥功能[37], 正如余陆伟等[15]在没有黑色素生成的“全红”体色瓯江彩鲤胚胎中也能检测到明显的mitfa表达信号。因此,推测mitfa基因在橘红色鲤皮肤的色素形成中可能扮演重要角色,具体调控机制还有待进一步研究。

生长激素基因(gh)的表达水平与鱼类生长性能密切相关,如魏平平等[38]和何超凡等[39]均发现,具生长优势的实验组相应的gh基因也呈现更高表达水平。该研究中,ghghrigf2等6个生长激素合成、释放和效应通路(ko04935)基因在青灰色组肌肉中的相对表达量显著或极显著高于橘红色组(P<0.05或P<0.01), 这符合生长性状的组间比较结果。在生长相关基因中,也发现同源基因(igf1igf2igf3)存在表达水平和趋势的差异,分析可能与鲤基因组经历过加倍化[10], 从而导致新基因和基因新功能的产生有关。此外,ko04916和ko04935通路共有的4个基因在皮肤和肌肉中的表达趋势相同,其中3个基因的表达量在组织间具有显著正相关(P<0.05)。因此,推测该研究中鲤体色变异与生长差异间所存在的联系,可能与相应代谢调控过程中存在共同基因有关,即所谓“一因多效”; 而相关基因通过协同和/或互作以共表达模式最终影响特定表型,即所谓“多因一效”。

综上所述,鱼类具有丰富的体色分化资源,过去的研究中也关注到不同体色表型存在生长性能的差异性,但就如何量化分析这两种表型性状间的关联性还未见报道。该研究采用‘福瑞鲤2号’这一人工选育品种,基于系谱信息构建具有单色分化的全同胞家系,并从生长、体型、酪氨酸酶活力、黑色素含量和基因表达等方面比较分析了体色分化个体的差异性; 尤其是通过体色和生长密切相关代谢通路上诸多基因的表达量来量化分析两种表型性状间的关联性,这可为其他性状关联性分析提供新的思路。

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