比较基因组学研究揭示萤火虫荧光素酶基因的起源与进化

为了揭示萤火虫荧光素酶基因的遗传基础及其起源、进化过程，Timothy R. Fallon等人用PacBio+Illumina+Hi-C多技术结合的策略组装出了高质量的北斗七星萤火虫（Photinus

pyralis，Lampyrinae亚科）基因组，解决了其中与荧光素酶基因相关的串联重复序列。同时，研究者还对日本萤火虫（Aquatica lateralis，Luciolinae亚科）和发光磕头虫（Ignelater luminosus，叩甲科）进行Illlmina基因组测序并完成组装。通过对这三个荧光甲虫进行比较基因组学和转录组分析，对发光甲虫的发光和化学防御机制在近1亿年来的进化历程提出了新的见解。

基因组组装结果

研究者对三种物种分别运用了不同的策略进行基因组组装，结果见Table 1。北斗七星萤火虫因引入三代长读长测序数据及Hi-C辅助组装，ScaffoldN50高达50Mb，还组装出了富

含~1kb串联重复序列（TRU）的线粒体基因组(Fig.1a)。

BUSCO评估显示这三个基因组的组装完整度均超过了93%，高质量的基因组为后续的生物发光研究提供了有价值的参考信息。

Table 1北斗七星萤火虫、日本萤火虫和发光磕头虫的基因组组装结果比较

Fig.1 北斗七星萤火虫线粒体基因组示意图（a）；北斗七星萤火虫、日本萤火虫、发光磕头虫和黑腹果蝇基因维恩图（b）

经注释，发现北斗七星萤火虫、日本萤火虫和发光磕头虫中的编码基因分别有15,770, 14,285和27,552个，经Orthofinder pipeline分析发现北斗七星萤火虫和日本萤火虫的基因具有很大的相似性，而发光磕头虫则大不相同（Fig.1b）。

荧光素酶基因的进化历程

萤火虫的荧光来自于其体内的一系列化学反应：小分子基质荧光素在有O2、Mg2+和ATP存在的条件下，被荧光素酶催化形成脱羧产物氧化荧光素，从而发光。研究者推测萤火虫的荧光素酶基因是由一个祖先基因——过氧化物脂肪酰基辅酶A合成酶基因（PACS）进化而来，

因为它和与它密切相关的非生物发光的旁系同源基因都具有脂肪酰基辅酶A的合成活性（Fig.2）。叩甲科和萤科的荧光素酶属于同一蛋白超家族，且它们的发光机制及荧光素的化学性质都相同，说明这两科的荧光素酶基因应该是同一起源，与以往系统发育学研究中关于这两个家族的的荧光素酶基因是独立起源的假说不同。

Fig.2荧光素酶的催化机制与脂肪酰基辅酶A合成酶的催化机制相关

通过对基因结构进行比较，研究者发现北斗七星萤火虫和日本萤火虫中都存在Luc1和Luc2这两个荧光素酶基因，其中Luc1是萤火虫的一个直系同源基因，位于一簇过氧化物脂肪酰基辅酶A合成酶（PACS）和非过氧化物脂肪酰基辅酶A合成酶（ACS）基因当中，广泛存在于多种萤火虫基因组；以往研究认为旁系同源基因Luc2仅存在于少数包括日本萤火虫在内的亚洲类群当中，而本研究的基因组组装分析结果显示：在北斗七星萤火虫和日本萤火虫这两类萤火虫基因组中，Luc1和Luc2这两个荧光素酶基因都存在且位于不同的染色体上。

萤火虫的荧光素酶基因及与其密切相关的旁系同源基因的基因结构普遍含有串联重复序列。荧光素酶基因Luc1和Luc2在基因结构上都比较保守，由七个保守的外显子构成。萤光素酶、

PACS和ACS的系统发育分析表明，Luc1和Luc2代表两个密切相关的直系同源基因，并且与Luc1邻近的PACS和ACS是共直系同源的，虽然共线性关系不太清楚，这可能是由后来的基因重排造成的（Fig.3）。

Fig.3荧光素酶基因共线性分析

数据说明串联基因的复制产生了PACS的几个旁系同源基因，其中一个新功能化成为萤光素酶祖先基因（AncLuc）。AncLuc原位产生了Luc1，而Luc2则可能是在1亿年前AncLuc发生了远程基因复制事件形成的；随后发生基因重排从而产生了萤火虫的两个亚科——Lampyrinae亚科和Luciolinae亚科。基于以上推测，研究人员绘制了萤火虫荧光素酶基因进化模型（Fig.4）。

Fig.4 萤火虫荧光素酶基因进化模型

此外，研究者还利用RNA-Seq技术对三种发光甲虫不同性别、不同组织部位、不同发育时期的基因表达进行了解析，分析了在荧光素酶代谢过程中起关键作用的基因。

DNA测序技术及生物信息技术的发展为物种的起源和进化研究提供了有力的科学依据。本研究提供了一个适用于大多数物种的基因组测序组装策略，利用二代短读长测序数据结合三代PacBio长读长测序数据，并使用其他大片段技术（如Hi-C等）辅助，可以组装出跨越串联重复序列、端粒、着丝粒等特殊区域的高质量基因组。获得高质量的参考基因组将会极大的延展研究者对研究对象的遗传多样性上的认识，进一步揭示物种之间的进化关系。

参考文献：

Fallon T R, Lower SE, Chang C H, et al. Firefly genomes illuminate the origin and evolution of bioluminescence[J]. bioRxiv, 2017: 237586.

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