昆蟲水平基因轉(zhuǎn)移的鑒定與分析.pdf

1、水平基因轉(zhuǎn)移是個體間遺傳物質(zhì)直接的傳遞過程，是發(fā)生于自然界物種間自發(fā)的轉(zhuǎn)基因事件。水平基因轉(zhuǎn)移事件在原核生物間頻繁發(fā)生，是原核生物基因組遺傳變異的重要來源，對原核生物抗藥性的快速傳播和致病性的產(chǎn)生等生理功能有特異的影響。研究表明，水平基因轉(zhuǎn)移對原核生物的進(jìn)化有顯著地影響和貢獻(xiàn)。原生生物和真菌基因組中同樣存在由水平基因轉(zhuǎn)移事件引入的外源變異，這些變異或來源于細(xì)菌（跨域物種間水平基因轉(zhuǎn)移），或來源于其它單細(xì)胞真核生物（同域物種間水平基因轉(zhuǎn)移

2、）。與原核生物相比，單細(xì)胞真核生物基因組中水平轉(zhuǎn)移來源的基因占基因組基因含量的比例相對較小。但是，這些外源遺傳變異同樣可以整合進(jìn)入受體生物的基因組，參與生物體的功能代謝，提高受體物種對環(huán)境的適應(yīng)能力。多細(xì)胞真核生物（尤其是多細(xì)胞真核動物）中水平基因轉(zhuǎn)移的研究相對較少，一方面由于后生生物基因組中水平基因轉(zhuǎn)移來源的外源基因非常稀少，另一方面由于后生動物較大的基因組和較復(fù)雜的進(jìn)化歷程使得探測水平基因轉(zhuǎn)移的難度增大。雖然水平基因轉(zhuǎn)移事件在真核生

3、物中也有存在，先前的個案研究也表明外源變異的確可以給真核生物受體物種引入新的功能，但是缺乏系統(tǒng)的研究和有力的證據(jù)證明水平基因轉(zhuǎn)移對多細(xì)胞真核生物進(jìn)化的影響程度。
　　 生物信息學(xué)方法是基因組時代探測水平基因轉(zhuǎn)移事件的有效手段。公共數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)積累了近1000個細(xì)菌的基因組序列以及多個注釋信息豐富的昆蟲基因組序列。本研究使用生物信息學(xué)手段，采用比較基因組學(xué)方法，在基因組水平上鑒定并分析了黑腹果蠅（Drosophilamelanog

4、aster）、岡比亞按蚊(Anophelesgambiae)、家蠶（Bombyxmori）、赤擬谷盜（Triboliumcastaneum）和西方蜜蜂(Apismellifera)等五種昆蟲與細(xì)菌間的水平基因轉(zhuǎn)移事件，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 1.昆蟲與細(xì)菌間水平基因轉(zhuǎn)移的鑒定
　　 采用序列相似性分析、同源序列分布模式和系統(tǒng)發(fā)生分析相結(jié)合的方法，利用已測序的近1000個細(xì)菌的基因組序列和其它序列信息，探測五種昆蟲

5、和細(xì)菌間發(fā)生的水平基因轉(zhuǎn)移事件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，家蠶中存在14類22個細(xì)菌來源的水平轉(zhuǎn)移基因，而其它四種昆蟲中并沒有可信的水平基因轉(zhuǎn)移事件。分析表明，這些家蠶中的水平轉(zhuǎn)移基因都不含有內(nèi)含子，與細(xì)菌中的同源序列的相似性水平顯著高于家蠶基因組中的其它基因，并且這些外源序列的堿基含量（GC含量）表現(xiàn)出對家蠶基因組的適應(yīng)性變化。
　　 2.家蠶水平基因轉(zhuǎn)移供體的預(yù)測
　　 根據(jù)鄰接法（neighbor-joining，NJ）、最大似然

6、法（maximumlikelihood，ML）和貝葉斯推斷法（Bayesianinference，BI）相結(jié)合的系統(tǒng)發(fā)生分析結(jié)果，結(jié)合昆蟲與細(xì)菌序列相似性比對結(jié)果，預(yù)測家蠶中水平轉(zhuǎn)移基因的供體細(xì)菌。結(jié)果顯示，有8類基因來源于昆蟲的病原細(xì)菌，1類基因來源于昆蟲共生的Wolbachia屬細(xì)菌，1類來源于植物共生細(xì)菌。結(jié)果表明，病原細(xì)菌是家蠶水平基因轉(zhuǎn)移事件的主要供體;另外，在大的進(jìn)化尺度上，病原體對宿主的生存和繁榮可能具有有利的影響。

7、>　　 3.家蠶水平基因轉(zhuǎn)移時間的估計(jì)
　　 通過對鱗翅目EST序列(expressedsequencetags，ESTs)和新近測序的其它四種鱗翅目昆蟲基因組序列進(jìn)行同源性搜尋，調(diào)查了家蠶水平轉(zhuǎn)移基因在鱗翅目昆蟲中的分布情況，并據(jù)此推測水平基因轉(zhuǎn)移事件發(fā)生的下限時間。結(jié)果顯示，大部分水平轉(zhuǎn)移基因在其它鱗翅目昆蟲中存在直系同源基因。該結(jié)果表明，大部分基因是鱗翅目昆蟲中的水平轉(zhuǎn)移基因，來源于古老的水平基因轉(zhuǎn)移事件（約距今100個

8、百萬年前）。
　　 4.鱗翅目水平轉(zhuǎn)移基因的進(jìn)化分析和功能預(yù)測
　　 大部分水平轉(zhuǎn)移基因在轉(zhuǎn)入鱗翅目祖先昆蟲后發(fā)生了基因重復(fù)事件。功能預(yù)測分析表明鱗翅目水平轉(zhuǎn)移基因是生物體糖代謝、氨基酸類代謝及物質(zhì)的氧化脫氫作用等功能代謝途徑上的基因，可能參與了鱗翅目昆蟲的營養(yǎng)代謝和解毒反應(yīng)，可以增強(qiáng)鱗翅目昆蟲對植食的適應(yīng)性。
　　 5.評估水平基因轉(zhuǎn)移對鱗翅目進(jìn)化的貢獻(xiàn)
　　 距今100個百萬年前，被子植物發(fā)生了輻射進(jìn)

9、化。鱗翅目水平轉(zhuǎn)移基因在轉(zhuǎn)移時間和基因功能上與植物存在相關(guān)性，推測這些外源基因有利于鱗翅目昆蟲適應(yīng)由被子植物主導(dǎo)的新環(huán)境。可以認(rèn)為，病原菌來源的水平轉(zhuǎn)移基因有助于鱗翅目昆蟲的進(jìn)化。
　　 上述鑒定和分析結(jié)果，可以幫助我們理解后生生物水平基因轉(zhuǎn)移事件在轉(zhuǎn)移數(shù)量、轉(zhuǎn)移供體、轉(zhuǎn)移時間、進(jìn)化過程和基因功能方面具有的特點(diǎn)，有助于我們認(rèn)識水平基因轉(zhuǎn)移事件對后生動物進(jìn)化的顯著貢獻(xiàn)。本結(jié)果增進(jìn)了研究者對于鱗翅目昆蟲進(jìn)化的理解，表明水平基因轉(zhuǎn)移對