温度通过DNA甲基化与转录组重编程调控棘胸蛙性别决定的作用机制研究

《Aquaculture Reports》：Temperature influences sex determination in the giant spiny frog ( Quasipaa spinosa) via alteration of DNA methylation and transcriptional profiles

本研究针对全球气候变化背景下温度波动对水产养殖物种性别比例失衡的严峻挑战，以具有温度敏感性遗传性别决定机制的棘胸蛙（Quasipaa spinosa）为模型，通过整合全基因组甲基化测序（WGBS）和转录组分析，系统阐明了温度通过钙离子信号通路—促性腺激素释放激素（GnRH）分泌—芳香化酶（CYP19A1）表达轴调控雌激素合成的表观遗传通路。研究发现低温（18℃）通过诱导钙通道基因低甲基化激活CYP19A1表达，促进雌性分化；而高温（28℃）抑制该通路导致雄性偏倚。该成果为水产动物性别比例精准调控提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着全球气候变暖加剧，温度波动对水生变温动物的生存和繁殖构成了严重威胁。其中，性别比例失衡已成为制约水产养殖业可持续发展的关键问题之一。棘胸蛙（Quasipaa spinosa）作为亚洲地区高经济价值的养殖蛙类，因其肉质鲜美而备受市场青睐，但由于过度捕捞和栖息地破坏，已被世界自然保护联盟（IUCN）列为易危物种。有趣的是，棘胸蛙的性别决定虽受遗传因素主导，却极易受温度影响，表现为“温度影响的遗传性别决定”模式：高温诱导雄性化，低温促进雌性化。然而，温度如何通过表观遗传机制调控性别分化的分子通路始终未被揭示。

为破解这一难题，浙江师范大学郑荣泉团队在《Aquaculture Reports》上发表了最新研究成果。研究团队将棘胸蛙蝌蚪分别饲养于18℃（低温）、23℃（常温）和28℃（高温）环境中，通过性腺组织学统计发现常温组性别比例接近1:1，而低温组雌性比例显著升高（61.54%），高温组雄性比例达67.69%。为进一步探究其分子机制，研究人员采用全基因组甲基化测序（WGBS）和RNA-seq技术，对10个时间点（包括17、35、50、80日龄）的蝌蚪样本进行多组学整合分析。

关键技术方法包括：1）基于人工养殖场同一批受精卵构建温度处理队列；2）全基因组甲基化测序（WGBS）与转录组测序（RNA-seq）并行检测；3）差异甲基化区域（DMRs）与差异表达基因（DEGs）的联合分析；4）通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）验证关键基因表达。

3.1 温度对棘胸蛙性别比例的影响

性别鉴定结果显示，低温组雌性比例显著高于常温组，而高温组雄性比例显著上升，证实温度可部分逆转棘胸蛙的性别分化，但未出现完全性反转，符合温度影响型GSD特征。

3.2 DNA甲基化分析

基因组整体甲基化水平在温度组间无显著差异，但关键基因启动子区域存在温度特异性甲基化修饰。低温条件下，钙离子通道基因（如CACNA1F、SLC8A）呈现低甲基化状态，而高温组则多为高甲基化。

3.3 转录组分析

KEGG富集分析发现，低温组显著激活GnRH分泌通路、钙信号通路和雌激素合成相关基因（如CYP19A1），而高温组富集于Wnt通路、细胞周期等雄性相关通路。

3.3.4 甲基化与转录组联合分析

共筛选出12个启动子甲基化与表达呈负相关的关键基因。低温上调SULT4A1（抗氧化应激）、HSP90A（蛋白折叠）等基因；高温上调SLC30A1（锌转运）并下调LIF（免疫调节）等基因。

研究结论表明，温度通过调控钙通道基因的甲基化状态，影响细胞内Ca²⁺浓度，进而激活MAPK/cAMP信号通路，促进GnRH分泌。低温条件下，GnRH通过 follicle stimulating hormone receptor（FSHR）—腺苷酸环化酶（AC）—cAMP级联反应上调CYP19A1表达，将睾酮转化为雌二醇，驱动卵巢分化；高温则抑制该通路，导致睾酮积累和睾丸发育。这一发现不仅揭示了温度影响GSD物种性别分化的表观遗传新机制，还为水产养殖中通过温度控制性别比例提供了精准干预靶点，对濒危物种保护与可持续养殖具有重要实践意义。