內(nèi)共生菌Wolbachia對Ficus hispida榕小蜂線粒體基因的影響.pdf

1、Wolbachia是一種廣泛存在于節(jié)肢動物體內(nèi)的胞內(nèi)共生菌，早期研究表明節(jié)肢動物中約16％的物種被感染。近來根據(jù)Long-PCR等檢測手段發(fā)現(xiàn)約76％的物種感染W(wǎng)olbachia，同時發(fā)現(xiàn)不少寄主感染多株系的Wolbachia，因此推斷Wolbachia可能是目前分布最廣、豐度最大的胞內(nèi)共生微生物類群。 母系遺傳的胞內(nèi)共生菌Wolbachia能夠操縱寄主的生殖活動，如誘導(dǎo)精卵不容、孤雌生殖、雌性化、殺雄作用等。此外，研究表明Wo

2、lbachia在物種形成過程中起到重要作用。 動物的線粒體基因(mtDNA)具有許多獨特的優(yōu)點：母系遺傳；基因組較??；重組率低；變異速度快(一般認為線粒體基因是核基因進化速率的4-10倍)等。線粒體基因逐步成為重要的分子標(biāo)記，廣泛應(yīng)用于種群遺傳學(xué)、生物進化和系統(tǒng)發(fā)育等相關(guān)研究。 mtDNA長期以來被認為是一種中性進化的分子標(biāo)記，然而近來一些研究者發(fā)現(xiàn)跟其它基因組基因相比，整個線粒體實際上處于非常強烈的選擇壓力之下，接受

3、著來自線粒體本身的直接選擇和其它母系遺傳因素的間接選擇，以一種“非中性”的速率進化。任何母系遺傳的相關(guān)因素都有可能影響到線粒體基因的變異，胞內(nèi)共生菌Wolbachia就是一個典型例子。Wolbachia能夠影響寄主線粒體基因的變異，因此可以通過寄主線粒體基因的變異來研究Wolbachia的感染情況。Hurst總結(jié)前人研究結(jié)果表明內(nèi)共生菌對寄主的線粒體基因(mtDNA)能夠產(chǎn)生的影響，對已有的例子進行分析，可以分為四類：(1)內(nèi)共生菌驅(qū)動

4、的mtDNA多樣性的降低；(2)內(nèi)共生菌驅(qū)動的多樣性的增加；(3)內(nèi)共生菌驅(qū)動的空間范圍內(nèi)mtDNA的變異；(4)內(nèi)共生菌連帶mtDNA并系的產(chǎn)生。 根據(jù)前人對不同地區(qū)榕小蜂感染率的研究發(fā)現(xiàn)，榕小蜂幾乎是感染W(wǎng)olbachia最多的昆蟲之一，達到59％-67％。榕小蜂長期生活在密閉的果內(nèi)，果內(nèi)小蜂的感染情況以及對寄主線粒體基因可能的影響引起我們極大的研究興趣。在本文中，我們主要探討了榕樹Ficus hispida中四種榕小蜂體內(nèi)

5、Wolbachia感染率以及對不同寄主mtDNA的影響。 感染率的初步研究結(jié)果表明，在Ficus hispida中，傳粉榕小蜂Ceratosolen solmsi和非傳粉小蜂Philotrypesis pilosa感染W(wǎng)olbachia，而另外兩種非傳粉小蜂Philotrypesis sp.和Apocrypta backeri則完全未感染W(wǎng)olbachia。并且，兩個感染W(wǎng)olbachia物種中的感染率也不同，C. solmsi

6、是89.3％，而P. pilosa的感染率是100％。進一步通過Wolbachia的兩個特異基因wsp和ftsZ序列得到結(jié)論：傳粉榕小蜂C. solmsi只感染一個Wolbachia株系，而非傳粉榕小蜂P. pilosa感染多株系Wolbachia，其中兩個株系是相對比較穩(wěn)定的，并且其中一個株系與感染C. solmsi的株系只有一個堿基的差異。這說明Wolbachia除了垂直傳播以外，在這兩個物種當(dāng)中很可能還存在水平傳播，盡管傳播途徑還

7、不是很清楚。 從聚類樹上可以看出，所有的C. solmsi個體依據(jù)它們的感染狀態(tài)被分成兩大支，并且兩個線粒體分子標(biāo)記(COI和Cytb)得出相似的拓撲結(jié)構(gòu)，意味著它們有著相似的變化趨勢。分別對比感染和未感染W(wǎng)olbachia個體間的線粒體基因序列(COI和Cytb)，我們發(fā)現(xiàn)二者差異明顯：一方面，對于COI和Cytb，感染和未感染類群間的核苷酸差異分別達到9.2％和15.3％；另一方面，同樣對于這兩個線粒體基因，感染和未感染類群

8、內(nèi)部核苷酸的差異均小于1％。進一步比較發(fā)現(xiàn)這兩個線粒體基因，感染個體較未感染個體顯示出明顯降低的多樣性。 P.pilosa和P.sp.的COI和Cytb兩個基因的拓撲結(jié)構(gòu)存在一定差異。對于COI，P.pilosa和P. sp.均出現(xiàn)非常多的單體型；而對于Cytb，P. pilosa種內(nèi)依然出現(xiàn)較多不同的單體型，而P. sp.中出現(xiàn)的單體型則相對較少。數(shù)據(jù)表明，對于COI，這兩個姐妹種在核苷酸多樣性等方面都非常相似，差異不大；對

9、于Cytb，與COI不同，兩姐妹種間差異較大。 使用三個不同的中性檢驗方法對C. solmsi，P. pilosa和P. sp.進行檢測發(fā)現(xiàn)，只有C. solmsi中感染W(wǎng)olbachia個體的COI序列明顯偏離中性進化，而所有個體的Cytb基因，以及未感染W(wǎng)olbachia的C. solmsi的COI基因均符合中性進化。核基因結(jié)果也非常有意思，對于ITS2片段來說，種內(nèi)個體的序列幾乎完全一致，從分子數(shù)據(jù)上確定了我們所取的標(biāo)本來

10、自同一物種，并且排除了其它因素的作用，證明是Wolbachia的存在對寄主產(chǎn)生了影響。對于EF1-α，姐妹種P.pilosa和P. sp.的序列非?；靵y，很難將兩個種區(qū)分開來，可能是由于我們所取的基因片段非常保守的緣故；另一方面，在傳粉榕小蜂中，感染和未感染個體的EF1-α存在三個固定位點堿基的變異，盡管這三個堿基的變化并沒有引起任何氨基酸水平的變異，目前還不能對此做出一個滿意的解釋。 通過對Wolbachia株系的研究，推測在

11、對葉榕中，Wolbachia的兩種傳播方式并存，或許水平傳播方式也是大量榕小蜂感染W(wǎng)olbachia的一個可能原因。通過對wsp基因序列研究發(fā)現(xiàn)，wsp存在明顯的基因重組現(xiàn)象?；蛑亟M現(xiàn)象是細菌新物種形成的一個重要方式。對Wolbachia基因組大量基因的研究發(fā)現(xiàn)，存在許多重組的蛋白基因，這也從另一個方面解釋了大量不同株系存在的原因。 在研究Wolbachia對線粒體基因的影響的同時，還在兩個姐妹種P. pilosa和P.sp.

12、的COI中發(fā)現(xiàn)大量的線粒體假基因，而Cytb中未出現(xiàn)，同時在對葉榕中另外兩種小蜂的線粒體基因中均未發(fā)現(xiàn)線粒體假基因的存在。這很可能是兩姐妹種的COI基因在進化中受到特殊的壓力造成的。在這些假基因中，最明顯的特征就是大量終止密碼子的提前出現(xiàn)。姐妹種中很多個體都同時得到兩個或多個不同的線粒體假基因序列。進一步研究發(fā)現(xiàn)，這些假基因都是在兩個姐妹種發(fā)生分離之后產(chǎn)生的；并且可能是通過獨立的從線粒體到核基因組的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移后復(fù)制事件兩種方式產(chǎn)生的。