克里特壁蜥基因组与转录组解析：揭示岛屿特有物种的环境适应机制

《Genes & Genomics》：Unravelling the thread of Podarcis omics; insights into the genome and transcriptome of the Cretan wall lizard

　　本研究针对岛屿特有物种克里特壁蜥(Podarcis cretensis)的环境适应机制问题，通过构建高质量参考基因组和跨组织转录组图谱，结合比较基因组学分析，揭示了该物种在基因家族进化、染色体结构和表达调控方面的独特特征。研究发现P. cretensis与P. raffonei具有最高基因组同线性，其重复基因主要富集于免疫和感官相关基因家族，为理解爬行动物环境适应提供了重要分子基础。

　　

在气候变化日益加剧的背景下，理解生物如何适应环境变化成为进化生物学研究的核心课题。爬行动物作为变温动物，对环境温度变化尤为敏感，是研究环境适应的理想模型。其中，壁蜥属(Podarcis)蜥蜴因扩散能力有限且能适应多样环境，成为研究环境适应与进化的重要对象。克里特壁蜥(Podarcis cretensis)作为克里特岛及其周边岛屿的特有物种，其分布范围从海岸地区到海拔2100米以上的高山，经历了显著的环境梯度选择压力，为研究物种适应机制提供了天然实验场。

尽管近年来已有多个壁蜥属物种的基因组数据发布，但爬行动物特别是鳞龙类(Squamata)的基因组资源仍相对匮乏。高质量参考基因组的缺乏限制了对这些物种环境适应分子机制的理解。为此，研究人员对克里特壁蜥进行了基因组和转录组测序，旨在通过比较基因组学方法揭示该物种的基因组特征和适应机制。

本研究主要采用三代PacBio测序和Arima2 Hi-C技术构建染色体级别基因组，通过BRAKER流程结合跨组织RNA-seq数据进行基因注释，利用OrthoFinder进行直系同源基因分析，并通过D-GENIES进行基因组共线性分析。研究团队采集了来自三种不同生境（米克龙尼西岛、特里索斯峡谷、鲁西斯高原）的12个个体的脑、肝、肌肉组织样本进行转录组测序。

基因组组装与比较分析

研究人员获得了1.5Gb的高质量基因组组装(rPodCre2.1)，scaffold N50达94.6Mb，包含18对常染色体和1条Z性染色体。BUSCO评估显示基因组完整性达97.8%，与P. raffonei并列成为壁蜥属中质量最高的基因组组装。共线性分析表明，P. cretensis与P. raffonei的基因组同线性最高，而与分布更广的P. erhardii反而同线性较低，这可能反映了岛屿物种因基因流减少而保持更高基因组稳定性。

基因注释与比较

基因预测共鉴定出22,861个蛋白编码基因，其中单拷贝基因比例最高(94.8%)，重复基因比例最低。这些重复基因主要富集于免疫相关基因家族（如趋化因子、白介素、免疫球蛋白样结构域蛋白）和感官相关基因家族（如犁鼻器2型受体）。比较分析显示P. raffonei的CDS/基因比值异常高，可能与其狭窄的岛屿分布和特殊的适应压力相关。

微染色体与性染色体特征

研究确认了18号染色体为微染色体，其尺寸(~14.6Mbp)显著小于其他染色体，但具有最高GC含量(50%)和较高的基因密度。该染色体包含375个基因，涉及应激反应(HSPs、CIRBP)、受精相关(IZUMO4、ZP4)等重要功能基因。共线性分析显示微染色体结构变异最频繁，表明其在进化中具有高度动态性。Z染色体(51.4Mbp)包含676个与配子发生和性分化相关基因，如雄激素受体(AR)和精子发生相关基因。

直系同源基因分析

OrthoFinder将94.0%的预测蛋白分配到24,052个直系同源群中，其中3,342个为所有物种共有的单拷贝基因。P. cretensis特有基因中包含犁鼻器2型受体26样基因、G蛋白偶联受体家族基因等，可能反映了岛屿环境下的特殊适应。

基因表达图谱

转录组分析揭示了组织特异性表达模式：脑组织中高表达神经功能相关基因(FKBP12、SNAP-25等)；肝脏中高表达代谢相关基因(Serpin、FABPs等)；肌肉组织中高表达收缩相关基因(肌球蛋白轻链、原肌球蛋白等)。值得注意的是，HSP70和HSP90在低海拔种群脑组织中表达更高，而冷诱导RNA结合蛋白(CIRBP)在所有种群中均高表达，提示其在温度适应中的关键作用。

研究还发现抗氧化相关基因(过氧化物氧还蛋白PRDXs)表达水平较高，而DNA修复基因(ERCC6)和低氧相关基因(HIFs)表达相对较低，反映了P. cretensis在抗氧化防御方面的适应策略。

本研究通过构建克里特壁蜥的高质量基因组和转录组资源，揭示了岛屿特有物种在基因组结构和基因表达层面的适应特征。研究发现P. cretensis具有高度保守的基因组结构，其重复基因扩张主要发生在免疫和感官相关基因家族，可能与其特殊的岛屿生态环境适应相关。微染色体作为基因富集区域，在进化过程中表现出高度动态性，可能通过快速进化推动物种适应。基因表达分析揭示了温度应激相关基因的表达模式，为理解爬行动物对环境变化的分子响应机制提供了新见解。

该研究不仅丰富了爬行动物基因组资源，也为保护生物学和气候变化适应研究提供了重要基础。特别是对微染色体功能和基因家族进化机制的深入解析，将有助于揭示脊椎动物染色体进化的普遍规律。未来通过整合更多环境因子和生理数据，可进一步阐明这些分子特征与表型适应的直接联系。