膜翅目線粒體基因組的特征與進化及其在系統(tǒng)發(fā)育研究中的應用.pdf

1、線粒體基因組具有基因組小、基因組成穩(wěn)定、普遍為母性遺傳和較少發(fā)生重組等特點，成為基因組學和進化研究的理想材料，也為系統(tǒng)發(fā)育等研究提供了豐富的分子標記。初步研究表明膜翅目線粒體基因組在堿基組成和基因排列等方面有其特殊性，然而相對于膜翅目龐大的類群，已測定的膜翅目線粒體基因組的種類非常有限。因此，對膜翅目線粒體基因組進行測序和分析，對揭示膜翅目線粒體基因組的進化以及研究該類群復雜的系統(tǒng)發(fā)育關系具有重要的意義。 本研究對膜翅目線粒體基

2、因組進行了大規(guī)模測序和注釋，利用比較基因組學和生物信息學等手段分析了膜翅目線粒體基因組的特征與進化，并通過大量的比較分析，闡明了相關的進化機制，在此基礎上，基于線粒體全基因組序列對膜翅目在全變態(tài)類昆蟲中的位置以及膜翅目內(nèi)各類群的系統(tǒng)發(fā)育關系進行了研究。主要研究結果如下： (1)首次測定了膜翅目5個科11個種和長翅目1個種的線粒體基因組序列，分別對每個基因組進行了注釋，分析了各基因組的基因組成、基因間隔區(qū)、基因排列方式、密碼子使用

3、情況、tRNA和rRNA基因的二級結構以及A+T富含區(qū)的結構等；發(fā)現(xiàn)廣旗腹蜂Evania appendigaster線粒體基因組中有一段位于atp8和atp6之間的基因間隔區(qū)并可以形成mRNA二級結構，推測該區(qū)域是蛋白質編碼基因atp8和atp6轉錄產(chǎn)物切割的信號位點；發(fā)現(xiàn)了半閉彎尾姬蜂Diadegma semiclausum線粒體基因組中位于cox1和cox2之間A+T含量極高(99.1％)的一條串聯(lián)重復序列(1515bp)，推測該區(qū)

4、域是由于cox1基因3’末端一段17bp序列發(fā)生滑連錯配，并經(jīng)過一系列獨立的串聯(lián)重復和隨機突變、插入和缺失事件形成的；分析了白蠟吉丁蟲柄腹繭蜂Spathius agrili、長尾全裂繭蜂Diachasmimorpha longicaudata和菜蛾盤絨繭蜂Cotesia vestalis A+T富含區(qū)中與復制/轉錄相關的元素(Poly-Tstretch、[TA(A)]n-like stretch、頸環(huán)結構(Stem-and-loop S

5、tructure)和位于頸環(huán)結構5’端的ATA和3’端G(A)nT結構)，首次在六足總綱中從結構上證明了A+T富含區(qū)顛倒的現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)菜蛾盤絨繭蜂線粒體基因組是目前已知基因重排最頻繁的膜翅目線粒體基因組，推測認為其基因排列方式是由3類基因重排事件造成的。 (2)發(fā)現(xiàn)膜翅目線粒體基因組中發(fā)生重疊的基因很少發(fā)生基因重排，而發(fā)生重排的基因的兩側通常具有基因間隔區(qū)。在atp8和atp6之間以及nad4和nad4l之間通常具有一段基因重疊區(qū)

6、，因而它們之間的相對位置較為穩(wěn)定；發(fā)現(xiàn)一段位于trnS1和nad1之間的基因間隔區(qū)的保守序列，推測該區(qū)域為線粒體基因組復制終止的信號序列(mtTERM)；膜翅目線粒體基因組中trnK和trnS2使用與其它線粒體基因組不同的TTT和TCT做反密碼子，發(fā)現(xiàn)這兩個tRNA基因中非常規(guī)反密碼子的使用與基因重排具有較高的相關性。 (3)通過分析未校正的Pi、非同義替換率與同義替換率的比率Ka/Ks以及Jukes-Cantor校正的非同義替

7、換率與同義替換率的比率Ka/Ks(JC)等進化參數(shù)，發(fā)現(xiàn)膜翅目線粒體基因進化的速率高于其它全變態(tài)類昆蟲；在全變態(tài)類昆蟲中，nad6.atp8、nod41和nad2的進化速率最快，cox1、cox2、cob和nad5基因較保守；膜翅目中，意大利蜜蜂Apis mellifera、中國紅光熊蜂Bombus ingitus、雙色麥峰Melipona bicolor、蓋拉頭甲腫腿蜂Cephalonomia gallicola、眼斑駝盾蟻蜂Rado

8、szkowskius oculata和樟蟲長體繭蜂Macrocentrus camphoraphilus的Ka/Ks較高，長尾全裂繭蜂、金小蜂Nasonia longicornis和葉蜂Perga condei的較低。繭蜂科Braconidae內(nèi)部各亞科的種類之間Ka/Ks差異較大。多數(shù)膜翅目線粒體基因組中發(fā)生顛換的次數(shù)多于轉換。廣旗腹蜂和眼斑駝盾蟻蜂發(fā)生替換(轉換+顛換)的次數(shù)最多。 (4)膜翅目線粒體基因具有較高的重排速率，

9、基因重排的程度在膜翅目各類群間存在差異，廣腰亞目基因排列較細腰亞目保守，葉蜂P.condei已測序列中只發(fā)生了1次基因重排事件，而細腰亞目中各種類的基因重排次數(shù)在2～18不等；發(fā)生重排的基因主要集中在4個重排熱點區(qū)：A+T富含區(qū)-nad2、nad2-cox1、cox2-atp8和nad3-nad5；重排的基因以tRNA為主，蛋白質編碼基因和rRNA基因的重排只發(fā)生在少數(shù)種類中；在膜翅目線粒體基因組中，移位、倒置、基因洗牌和異位倒置等不同

10、類型的重排事件發(fā)生的頻率相似；首次提出了異位倒置是由兩次重排事件引起的重排機理。 (5)在目前已測的六足總綱各目中，膜翅目線粒體基因組的A+T含量最高，鱗翅目Lepidoptera次之，纓翅目Thysanoptera和等翅目Isoptera的最低。膜翅目中，廣腰亞目線粒體基因組的A+T含量較細腰亞目低；但在細腰亞目中，旗腹蜂的A+T含量較低，甚至低于廣腰亞目中的種類。 (6)膜翅目中繭蜂科昆蟲線粒體基因組的堿基組成偏向性

11、發(fā)生了顛倒，其A+T富含區(qū)與復制/轉錄相關的元素的顛倒支持了堿基組成偏向性的顛倒是由于基因組復制起點的倒置引起的理論假設。 (7)比較分析了133個昆蟲的線粒體基因組，發(fā)現(xiàn)堿基組成偏向性的顛倒在六足總綱中獨立進化了3次，分別出現(xiàn)在膜翅目Hymenoptera繭蜂科Braconidae(7個種)、虱目Phthiraptera長角羽虱科Philopteridae(2個種)和半翅目Hemiptera粉虱科Aleyrodidae(6個種

12、)；單個基因上的A+T偏斜的正負與基因的方向相關，而GC偏斜的正負與基因組復制起點的方向相關；結合最新的復制和轉錄研究理論，提出了一個新的關于堿基組成偏向性產(chǎn)生的假說：“不對稱性脫氨基化假說(Asymmetric DeaminationHypothesis)”，即復制過程中A脫氨基化多于轉錄過程，轉錄過程C脫氨基化多于復制過程。 (8)利用線粒體全基因組序列對全變態(tài)類昆蟲的系統(tǒng)發(fā)育關系進行了研究，結果支持膜翅目處于全變態(tài)類昆蟲的

13、基部位置，以及脈翅類Neuropterida(脈翅目Neuroptera+廣翅目Megaloptera)的存在及其與“長翅目Mecoptera+雙翅目Diptera”的姐妹群關系；對膜翅目內(nèi)部各大類群的分析表明細蜂總科Proctotrupidea和小蜂總科Chalcidoidea以及姬蜂總科Ichneumonoidea和針尾部Aculeata(蜜蜂總科Apoidea+(蜾贏科Eumenidae+胡蜂科Vespidae))為姐妹群關系；在

14、加入旗腹蜂科Evaniidae、腫腿蜂科Bethylidae和蟻蜂科Mutillidae進行分析時，得到了“姬蜂總科+(旗腹蜂科+((腫腿蜂科+蟻蜂科)+(蜜蜂總科Apoidea+(蜾贏科+胡蜂科))))”的系統(tǒng)發(fā)育關系，支持針尾部的單系性，旗腹蜂科與針尾部的姐妹群關系，姬蜂總科與(旗腹蜂科+針尾部)的姐妹群關系，但發(fā)現(xiàn)腫腿蜂科和蟻蜂科為姐妹群關系，表明胡蜂總科Vespoidea(蜾贏科，胡蜂科，蟻蜂科)是一個并系群；對繭蜂科Braco