关于泥蟹（Scylla paramamosain）短尾化现象的分子基础的转录组学研究

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Transcriptomic insights into the molecular basis of brachyurization of the mud crab Scylla paramamosain

本研究通过比较泥蟹（Scylla paramamosain）大分子期完整个体与腹部组织的转录组数据，揭示其变态过程中的分子机制。发现外骨骼重塑相关基因（如chitin代谢、cuticle蛋白基因）显著上调，而腹部组织降解涉及蛋白酶体、细胞连接及MAPK、mTOR等信号通路。关键转录因子（zf-C2H2、Hox、bHLH）调控发育进程。qPCR验证了核心DEGs的表达，表明brachyurization由外骨骼重塑、组织降解及代谢重编程协同完成的多层次分子网络精确调控。

　　

吴帆凯|朱志煌|梁美琳|万玉轩|刘安|叶海辉

厦门集美大学渔业学院海水养殖育种国家重点实验室，中国厦门361021

摘要

在短尾类螃蟹的发育过程中，从大眼幼体（Megalopa）到第一阶段幼蟹（C1）的转变涉及一个关键的形态学事件，称为短尾化变态。迄今为止，螃蟹短尾化背后的分子机制仍不甚清楚。为了揭示这一过程的奥秘，本研究对泥蟹Scylla paramamosain在大眼幼体和C1阶段的完整个体及其腹部组织进行了比较转录组分析。研究发现，在大眼幼体阶段有2317个差异表达基因（DEGs），在腹部组织中有4864个DEGs，其中3514个DEGs仅存在于腹部。基因本体论（GO）和KEGG富集分析进一步阐明了幼体发育过程中不同组织的功能偏好。完整个体中的DEGs主要富集在外骨骼发育相关通路中，如几丁质代谢和角质层结构相关通路。相比之下，腹部组织中的DEGs在蛋白酶体、膜成分、细胞连接以及多种信号通路（如MAPK、mTOR、Hippo、Wnt）中显著富集，表明这些通路在细胞重塑、凋亡和信号转导中起重要作用。此外，腹部组织中上调的转录因子基因（包括zf-C2H2、Homeobox和bHLH）参与发育过程的调控。通过qPCR验证了16个组织特异性DEGs的表达谱，进一步证实了转录组数据的可靠性。本研究为短尾化的分子机制提供了新的见解，表明这一包括外骨骼重塑、腹部组织降解和代谢重编程的协同过程受到复杂的分子网络的精确调控。

引言

变态是一种胚胎后发育过程，其特征是形态发生显著变化以及从幼体向成体形态的转变（Truman和Riddiford，2002）。在短尾类螃蟹中，变态过程经过Zoea和Megalopa阶段，最终达到第一阶段幼蟹（C1）阶段。从Megalopa到C1的转变被称为“短尾化”（Mariappan等，2000）。这一过程发生在从浮游生活向底栖生活方式的关键转变期间，其特征是腹部向头部胸部下方折叠，形成典型的螃蟹形态（Wolfe等，2019）。短尾化包括腹部的退化和重塑，如游泳肌肉的萎缩以及外骨骼的结构变化，导致运动方式从游泳转变为爬行（Tsang等，2014）。短尾化不仅是甲壳动物分类的关键形态学标准，也是一个由复杂的基因网络和内分泌信号精细调控的复杂发育过程。这一过程的成功完成对个体的生态适应性和生存能力具有决定性影响（Hines，1982）。

目前，甲壳动物短尾化背后的分子机制仍不明确。先前的研究表明蜕皮甾类激素、Hox基因家族和Wnt信号通路可能参与这一调控（Song等，2015；Martin等，2016），但负责短尾化的关键通路和/或调控因子尚不清楚。在椰子蟹Birgus latro（一种异尾类物种）中，全基因组分析显示腹部Hox基因显著扩增，并提出B. latro的陆地适应性更多依赖于基因扩增而非可变剪接机制（Veldsman等，2021）。对中国绒螯蟹Eriocheir sinensis的转录组分析表明，在从Megalopa到C1阶段的转变过程中，整合素信号通路和细胞外基质重塑起重要作用（Yang等，2023）。对大西洋蓝蟹Callinectes sapidus的转录组分析显示，在Megalopa-C2/3阶段，角质层蛋白和伪血蓝蛋白基因家族显著上调，而视蛋白基因家族则大幅下调，共同推动了形态变化和行为适应（Baldino等，2025）。

泥蟹Scylla paramamosain是一种具有商业价值的海洋甲壳动物。其幼体发育包括五个Zoea阶段和一个Megalopa阶段，最终变态为成体螃蟹形态（Waiho等，2018）。最近的研究表明，Hox基因Abd-A可能通过调控几丁质代谢、幼体激素信号和肢体模式形成的相关基因，在Zoea阶段控制S. paramamosain的附肢形态发生（Zhang等，2025）。然而，在关键的Megalopa到C1阶段转变期间，腹部短尾化的分子机制仍不清楚。因此，确定关键调控通路并阐明其背后的机制至关重要，从而为短尾类甲壳动物的适应性进化和发育提供新的见解。本研究旨在阐明S. paramamosain短尾化的分子基础和信号通路，该物种可作为研究这一生物过程的理想模型。我们分别收集了处于Megalopa和C1阶段的S. paramamosain完整个体及其腹部组织，并使用高通量RNA-seq构建了转录组谱型。通过系统筛选DEGs，并结合GO功能注释和KEGG通路富集分析，我们试图揭示短尾化期间特异性激活的关键生物过程和信号通路。此外，通过qPCR验证核心DEGs进一步验证了我们的发现。本研究有助于理解甲壳动物短尾化的分子机制。

实验动物

S. paramamosain大眼幼体来自中国广东省珠海市的一个泥蟹养殖场。选择附肢完整且活力良好的个体用于后续实验。大眼幼体在实验室条件下（海水温度25±0.5°C，盐度25±0.5%）饲养，直至发育到C1阶段。实验期间，每天喂食两次Artemia无节幼体，并定期更换新鲜海水以维持水质。

整体差异表达分析

质量控制和碱基质量分析显示，数据过滤后的有效序列比例超过99.89%，接头污染、低质量读段、polyA污染和未知碱基的比例均低于0.1%。在碱基质量方面，Q20和Q30得分分别不低于97.72%和93.56%，未知碱基的比例≤0.01%，GC含量在正常范围内（43.97%–47.69%）。总体而言，数据质量

讨论

短尾化是短尾类动物幼体发育过程中的一个显著形态重塑事件。通过对S. paramamosain在大眼幼体和C1阶段的完整个体及其腹部组织进行比较转录组分析，本研究揭示了这两个阶段之间的显著转录组差异。这些差异主要体现在外骨骼重建、腹部组织降解和能量代谢重编程方面，共同构成了这一过程的系统

结论

通过比较转录组分析，本研究揭示S. paramamosain的短尾化过程受到多层次分子网络的精确调控。几丁质代谢通路的富集、多种角质层蛋白基因的差异表达以及与鞣化相关的基因共同驱动了新外骨骼的形成。同时，程序性细胞死亡机制（包括蛋白酶体通路、凋亡和铁死亡）协同介导组织清除。

CRediT作者贡献声明

吴帆凯：撰写——原始草稿、可视化、软件应用、方法学设计、实验研究。朱志煌：方法学设计、资金获取、数据管理。梁美琳：可视化、方法学设计、实验研究。万玉轩：实验研究、正式数据分析。刘安：撰写——审稿与编辑、可视化、实验监督、方法学设计、概念构建。叶海辉：撰写——审稿与编辑、实验监督、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

我们在此声明本研究中不存在可能影响其客观性和公正性的利益冲突。

致谢

本研究得到了厦门海洋与渔业发展专项资金青年科技创新项目（项目编号：23YYST0710CA14）和福建省科技厅公益研究院基础研究专项计划（项目编号：2024R1013007）的资助。