Hox基因的功能分析以及与红沼螯虾(Procambarus clarkii)生长和形态相关的分子标记的开发

时间:2026年5月28日
来源:Aquaculture

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魏晓宇|胡倩|陈丹红|王宇航|刘云龙|李彦和中国华中农业大学农业与农村事务部淡水动物育种重点实验室、长江经济带传统水生生物产业绿色发展工程研究中心,渔业学院,武汉430070摘要Hox基因家族在调控节段身份和附肢形成方面起着关键作用。然而,其在甲壳类动物生长调控和分子标记开发中的

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魏晓宇|胡倩|陈丹红|王宇航|刘云龙|李彦和
中国华中农业大学农业与农村事务部淡水动物育种重点实验室、长江经济带传统水生生物产业绿色发展工程研究中心,渔业学院,武汉430070

摘要

Hox基因家族在调控节段身份和附肢形成方面起着关键作用。然而,其在甲壳类动物生长调控和分子标记开发中的作用仍不够明确。基于我们之前的研究,abd-A、Antp和Ubx基因可能参与调控Procambarus clarkii幼体的生长和形态发育。在本研究中,通过微注射特定基因的dsRNA实现了持续性的RNA干扰,以沉默目标基因的表达,旨在探讨abd-A、Antp和Ubx基因敲低后的长期效应。结果表明,abd-A基因敲低导致第一对胸足完全或部分转化为类似胸肢的结构。值得注意的是,长期RNA干扰abd-A和Ubx基因后,个体体型显著大于EGFP-dsRNA对照组。同时,对abd-A、Antp和Ubx基因进行了Sanger测序,以识别与生长和形态特征相关的单核苷酸多态性(SNPs)和单倍型。共发现6个Hox基因内的SNPs与这些特征显著相关。单倍型分析显示,H1H1、H1H3和H5H5组合与生长增强显著相关,而H1H2单倍型与腹部节段比例的变化相关。这些发现扩展了人们对P. clarkii中Hox基因功能的理解,为生长调控和形态特化提供了新的见解。所识别的分子标记可作为标记辅助育种的宝贵资源,研究结果为甲壳类动物的进化和发育研究奠定了理论基础。

引言

红沼螯虾(Procambarus clarkii)是一种原产于北美的淡水甲壳类动物,现已广泛分布于全球(Souty-Grosset等,2016)。这种螯虾易于获取且营养价值高,成为世界各地许多社区的重要食物来源,并且越来越被认为具有重要的经济价值(Chen等,2024;Oficialdegui等,2020)。因此,针对关键性状(尤其是体型)进行系统的选择性育种对于提高螯虾养殖的质量、生产力和可持续性至关重要。培育改良品种是水产养殖的重要组成部分,这从根本上依赖于对性状形成分子机制的基础研究以及相关分子标记的开发。作为具有经济重要性的淡水物种,P. clarkii需要深入阐明其形态发育的分子机制并开发分子标记,因为这些知识对于选择培育优良品系至关重要。
Hox基因是研究最广泛的同源框基因类群,在真核生物中普遍存在,通常呈簇状染色体排列(Mark等,1997)。大量研究表明,Hox基因在胚胎发育、细胞分化、身体模式形成和器官发生中起着关键的调控作用(Chen等,2023;Pai和Sukumar,2020;Howard和Uribe,2022;Mallo,2018;Argiropoulos和Humphries,2007;Mallo等,2010)。Hox基因选择性地调控下游目标基因的表达,从而决定特定器官和身体结构的形成和功能(Pinto等,2024)。Pultz等(1988)在果蝇(Drosophila melanogaster)的pb基因中诱导突变,观察到下颚在发育过程中转化为肢节。Hu等(2019)使用RNA干扰破坏了Onthophagus taurus中的Scr基因,发现第一胸节突起消失,并形成一对完全发育的异位翅膀。Zhang等(2021)证明,在Harmonia axyridis中敲低Abd-B基因会导致背刺退化以及蛹附着于基质的障碍。Liu等(2020)通过抑制和过表达操纵Nilaparvata lugens中的Ubx基因表达,发现这两种改变均显著影响前翅长度。在蚕(Bombyx mori)中,Pb和Scr基因的突变分别导致下颚和上颚的同源转化(Zhang等,2020),而Antp基因的突变与成虫翅膀的形态异常有关(Fang等,2022a,Fang等,2022b)。总体而言,这些发现表明Hox基因转录活性的精确调控能够准确控制形态模式,为理解生物体发育和进化多样性提供了关键见解。
单核苷酸多态性(SNP)标记代表了第三代分子标记技术。SNP以共显性方式遗传,具有高密度、全基因组覆盖率和强的遗传稳定性,为研究应用提供了全面可靠的遗传信息。这些特性使SNP成为分子遗传学研究中的重要工具。许多研究已在水生物种的关键基因中识别出与生长性能和疾病抗性等经济重要性状显著相关的功能性SNP。尽管Hox基因是调控生物体生长和形态发育的关键基因家族,但使用分子标记研究它们与水生物种生长和形态相关性状之间的关联仍有限。
先前关于P. clarkii中Hox基因表达的研究显示,abd-A、Antp和Ubx基因从 Zoaea幼虫阶段到第五龄期后幼体阶段都保持高水平表达,且在成体肌肉组织中也有显著表达(Wei等,2025)。这种表达模式表明,这三个Hox基因可能调控P. clarkii的生长和形态发育。因此,本研究在幼体螯虾中进行了abd-A、Antp和Ubx的RNA干扰(RNAi)敲低,以阐明它们在早期发育阶段的功能作用。同时,系统地筛选了abd-A、Antp和Ubx基因中的SNP位点,并分析了这些多态位点与生长和形态相关性状之间的关联,以识别潜在的育种应用分子标记。

章节片段

实验动物

实验用的P. clarkii成体来自湖北省阳新海达研究所的水产基地。随机选择了100只个体(平均体重:36.02±12.03克),分别使用游标卡尺和电子天平测量其生长和形态参数。从每只螯虾中提取少量附肢或肌肉组织样本,保存在无水乙醇中以进一步提取DNA。幼体P. clarkii是由亲本繁殖的。

长效dsRNA药物递送方案的探索,以及Hox基因干扰后下游基因的表达变化

通过荧光定量PCR检测干扰后不同时间点的目标基因表达水平。结果显示,干扰后12小时abd-A基因的表达水平显著下降,264小时后仍低于对照组,312小时恢复到正常水平(图1A)。Antp基因干扰后12小时表达水平最低,

Antp和Ubx基因位于Hox基因簇的中心区域,已知它们在多种物种中调控附肢的身份,其敲除常导致同源转化。例如,在蚕(Bombyx mori)中,Antp基因突变会导致成虫翅膀畸形(Fang等,2022a,Fang等,2022b),而针对Ubx的胚胎RNAi会在第一腹节(A1)形成类似腿的突起(Masumoto等,2009)。在端足类Parhyale中

结论

本研究使用RNA干扰和Sanger测序对P. clarkii中的三个Hox基因(Abd-A、Antp和Ubx)进行了初步的功能和多态性分析。研究结果强调了Hox基因在P. clarkii生长和发育中的重要作用,为其遗传育种提供了理论基础,并为甲壳动物遗传学和进化发育生物学研究提供了基础数据。

魏晓宇:撰写——原始草稿、可视化、软件、方法学、调查、正式分析、数据管理。胡倩:调查、正式分析。陈丹红:调查。王宇航:调查。刘云龙:调查。李彦和:撰写——原始草稿、调查、正式分析、数据管理、概念构思。

Daimon等,2021

Fischbach等,2005
Heng等,2011
Hu等,2023
Liu等,2025
Raman等,2000
Yadav等,2024
Zhao等,2024

作者声明没有利益冲突。

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