基于转录组的青藏高原裂腹鱼亚科鱼类系统发育与适应性初步研究

来源 :西南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jingjing2011
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裂腹鱼亚科(Schizothoracinae)隶属于鲤形目(Cypriniformes)、鲤科(Cyprinidae),是随着青藏高原的隆升而出现,并随着高原急剧抬升而特化的类群,属青藏高原鱼类的三大类群之一。由于其在进化过程中表现出对高原极端环境的高度适应性,裂腹鱼亚科鱼类被认为是研究高原物种形成和高原适应性进化机制的重要理想模式生物。虽然前期鱼类学家已从传统分类学、细胞遗传学、分子生物学等方面开展了裂腹鱼亚科鱼类的系统发育与适应性的相关研究,但该亚科鱼类的系统关系和高原适应性机制还不是很清楚,存在一些争议,有待进一步解析和查证。因此,本研究通过对15种裂腹鱼亚科鱼类开展转录组学研究,以进一步揭示裂腹鱼亚科鱼类的系统发育关系和高原适应性机制,主要研究结果如下:1、采用Illumina测序技术分别对15种裂腹鱼亚科鱼类的血液、触须、皮肤、肌肉、肝脏、脾脏、脂肪、肠道、性腺、鳔、肾脏、心、脑、鳃、眼睛等组织进行了转录组测序,共构建195个转录组文库,获取了9,404,261,792条原始数据(raw data)。去除衔接子序列,不确定碱基和低质量序列后,共获得了约1.4 Tb的clean data用于后续分析。通过对转录组数据的组装得到了15种裂腹鱼的Unigenes的数量在76,602到154,860之间,N50长度在1564 bp到2143 bp之间。通过Blastx将15种裂腹鱼亚科鱼类的拼接序列与NR、Swiss-port、KOG、GO、KEGG等5个公共数据库进行比对,至少62,216(40.18%)个Unigenes被成功注释,说明本次研究获得了一套高质量的转录组数据,为后续开展基于转录组的裂腹鱼亚科鱼类的系统发育与适应性研究提供基础。2、为了研究裂腹鱼亚科鱼类的系统发育和进化关系,我们利用本研究获得的15种裂腹鱼亚科鱼类的转录组数据,同时结合其他5个种鲤科鱼类的转录组数据进行比较分析,共筛选出8421个单拷贝同源基因家族。将20种鲤科鱼类共有的8421个单拷贝同源基因串联形成了一个“超级基因”,提取了4,034,706个四倍简并位点再次串联后重建了系统发育树,结果显示:与其它鲤科鱼类相比,裂腹鱼亚科鱼类单独形成一大支,并且与鲃亚科鱼类的亲缘关系较近。裂腹鱼亚科鱼类分为三大类群,第一类群由裂腹鱼属(Schizothorax)构成,是裂腹鱼亚科鱼类的原始类群;第二类群是由叶须鱼属(Ptychobarbus)构成,代表裂腹鱼亚科的特化类群;第三类群是由裸裂尻属(Schizopygopsis)、裸鲤属(Gymnocypris)、尖裸鲤属(Oxygymnocypris)、扁咽齿鱼属(Platypharodon)构成,是由裂腹鱼亚科的高度特化类群构成。此外,研究表明裂腹鱼亚科鱼类的地理分布也反映在系统发育关系上。例如,同一水系或相邻地区(如黄河、青海湖)的青海湖裸鲤(Gymnocypris przewalskii)、花斑裸鲤(Gymnocypris_eckloni)、黄河裸裂尻(Schizopygopsis pylzovi)和极边扁咽齿鱼(Platypharodon extremus)聚集在一起。基于构建的系统发育进化树,估算了裂腹鱼亚科鱼类的分化年代,结果表明裂腹鱼亚科鱼类与其它鲤科鱼类的分化时间大约在1110万年前(95%置信区间:8.9-13.1MYA),其中,原始类群与特化等级类群、高度特化类群的分化时间在720万年前(95%置信区间:5.8-8.7MYA),特化等级类群与高度特化类群的分化时间在370万年前(95%置信区间:2.8-4.7MYA),随后的物种分化时间在350万年前(95%置信区间:2.7-4.3MYA)到120万年前(95%置信区间:0.9-1.6MYA)之间。从分析结果来看,裂腹鱼亚科鱼类的分化年代和青藏高原的隆升过程具有较高的对应性,暗示此次研究的结果相对较为准确,揭示了裂腹鱼亚科鱼类的进化与青藏高原隆起的关系。3、为了进一步研究裂腹鱼亚科鱼类为适应高原环境所发生的适应性进化,基于转录组学技术,比较高原裂腹鱼亚科鱼类花斑裸鲤(Gymnocypris eckloni)、纳木错裸鲤(Gymnocypris namensis)、青海湖裸鲤(Gymnocypris przewalskii)、色林错裸鲤(Gymnocypris selincuoensis)、尖裸鲤(Oxygymnocypris stewarti)、异齿裂腹鱼(Schizothorax o’connori)和平原鲤科鱼类斑马鱼(Danio rerio)等7个鱼类的肝脏和鳃组织的转录组数据,经FPKM标准化处理后,与斑马鱼相比,六种裂腹鱼亚科鱼类的肝脏和鳃组织共有的差异基因分别为418和318个,并对两者的差异表达基因分别做了GO和KEGG富集分析。研究结果表明,与平原斑马鱼相比,为适应青藏高原的极端环境,六种裂腹鱼亚科鱼类的肝脏组织可能主要在代谢方面和蛋白质合成过程发生了适应性进化,而鳃组织的适应性进化可能主要发生在离子平衡、免疫功能和代谢方面。本次研究结果为高原裂腹鱼的适应性进化提供了理论依据。
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