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线虫隶属于线虫动物门(Aschelminthes),是一类广泛分布的无脊椎动物,种类繁多,或寄生于动植物,或自由生活于土壤、淡水和海水环境中。寄生性线虫会严重危害宿主健康甚至导致死亡。要防治寄生性虫首先要了解其分类地位及系统发育关系。因此,基于线粒体基因组(Mitochondrial genome,mitogenome)研究线虫的系统发育具有重要的生物学意义。本研究系统地分析了5目41科80属162种线虫线粒体基因组的基本特征:基因组大小、AT含量、碱基偏好性、同义密码子的使用、基因数量、基因重叠、基因组重排方式等。为了系统地了解162种线虫的系统发育关系,本研究基于12个蛋白质编码基因的串联核酸序列(PCG123)、去除密码子第三位的核酸序列(PCG12)和12个蛋白质的氨基酸串联序列(AA),利用贝叶斯推断法(Bayesian Interference,BI)和最大似然法(Maximum Likelhood,ML)重建了系统发育树并进行比较分析。研究结果如下:1、线虫线粒体基因组的基本特征线虫线粒体基因组AT含量高(60%-85%),碱基使用呈明显的AT偏向性(T%>A%>G%>C%)。基因组中12个蛋白质编码基因均使用完整的起始密码子(以ATT和TTG为最),偏好使用以A、U结尾的密码子。索目线粒体基因组编码的基因数量最多(大于39个),而茅线目最少(小于36个)。基因数目增加或缺失的分子机制可能是由于基因重复-随机丢失或由某些t RNA基因不当复制产生的。2、线粒体基因组的重排通过比较基因排列发现162种线粒体基因组共有42种排列方式(GA1-GA42),其中83种线虫属于GA3类型。在基因高度重排的“目”中,t RNA基因、蛋白质编码基因和r RNA基因均有有重排现象。主要分布在茅线目、索目和杆形目;而基因中度重排的“目”中,只有少数几个基因发生重排集中在圆线目和毛形目。虽然在分类阶元“目”中发生了大量的基因重排,但同一个“科”中的基因排列顺序却比较稳定。3、线粒体基因组特征与系统发育通过对34个基因组特征进行主成分分析,发现主成分1(PC1)可解释所有数据的96.39%,并从中提取到15组特征数据:基因组序列总长、AT区长度、非指定区域、碱基含量、基因数量、链的偏斜、基因重排率、密码子适应指数、密码子有效数、GC含量、同义氨基酸数等。利用有效特征能较好的将茅线目、索目、毛形目及内部的“科”分开,但不能将圆线目、杆形目及内部的“科”分开。研究结果表明基因组基本特征只在低分类阶元中相对保守,而在高分类阶元中变异较大。4、线粒体基因组与线虫系统发育从分类阶元“目”看,在基于数据PCG123构建的系统发育树中,索目、茅线目和毛形目互为姐妹群,同一“目”的线虫单独聚为一支(BS>80,PP>0.90)。值得注意的是,在圆线目的异小杆线虫(H.bacteriophora)与杆形目中的Pristionchus pacificus和Koerneria sudhausi聚为一支;委内瑞拉类圆线虫(S.venezuelensis)与杆形目中的水稻干尖线虫(A.besseyi)、拟松材线虫(B.mucronatus)、松材线虫(B.xylophilus)聚为一支;Wellcomia siamensis与杆形目中的隐藏管状线虫S.obvelata)聚为一支。在ML系统树中,杆形目中的盘尾科、颚口科、根瘤科、尖尾科与茅线目线虫的距离较近,而与同“目”其它科的系统发育关系较远。但在BI系统树中,只有根瘤科与茅线目的系统发育关系较近。研究结果表明贝叶斯法更适合线虫的系统发育分析。这可能是最大似然法用数据的最大概率来拟合系统树,而贝叶斯法是通过对数据及进化模型的最大拟合概率来拟合系统树。在基于数据PCG12的系统发育树中并没有出现杆形目部分“科”与茅线目聚类较近的现象。基于数据AA的系统发育树显示同一“目”的线虫全聚为一支,且索目、茅线目、毛形目、圆线目和杆形目皆为单系群(BS>80,PP>0.90)。从分类阶元“科”水平上看,基于数据PCG123和PCG12的系统发育树显示颚口科的美丽筒线虫(G.pulchrum)与吮吸科聚为一支;血矛科中的环束背带线虫(T.circumcincta)却与古柏科中的肿孔古柏线虫(C.oncophora)聚为一支。除了上述问题外,在基于数据AA的系统发育树还存在管圆科的Uncinaria sanguinis与后圆科聚为一支、Wellcomia siamensis与圆线科聚为一支,伪地新属的Pseudoterranova azarasi与异尖属聚为一支的问题。因此,本研究认为数据PCG12和贝叶斯推断法(BI)更适合用于线虫低级阶元水平的系统发育研究。这可能是密码子第3位的进化速率快、易发生替换饱和。5、线虫种群与系统进化(1)滑刃科与垫刃亚目下的根瘤科、短体科、斯氏科相距较远且互为并系群,而与旋尾亚目相距较近。因此,本研究支持滑刃亚目应该从垫刃亚目中划分出来成为一个亚目,而不属于垫刃亚目下的滑刃科。(2)本研究虽然显示龙线科和嗜子宫科的系统发育关系很近(BS=100,PP=100),但由于样本中龙线总科线虫的数目较少,因此二者之间的真正的系统演化关系还有待于进一步研究。本研究结果仅从分子角度为龙线总科的分类研究提供一定参考。(3)研究结果表明施特克尔霍夫索属与罗索属,Thaumamermis与多索属的系统发育关系较近。该结果与基于18Sr DNA和cox1的系统发育分析结果不一致。分析可能的原因是单基因含有的遗传信息有限,只适合在一定分类阶元内探讨有限线虫种类的系统发育关系。本文利用的多组线粒体基因组数据包含的遗传信息丰富并更具有可信性。(4)基于多种数据的ML和BI系统发育树都显示盅口属和杯环属是单系群。因此,本研究支持将形态学上的盅口属和杯环属重新归入同一属。