应用线粒体全序列研究鲽形目鱼类的分子系统关系及演化
鲽形目鱼类(Pleuronectiformes)又称比目鱼,隶属脊椎动物亚门(Vertebrate)、硬骨鱼纲(Osteichthyes),是鱼类中较大的目之一,也是唯一一个身体不对称的目,两眼位于头部一侧,另一侧无眼。该目在整个鱼类中无论从生物学意义还是经济地位都具有非常重要的意义,许多鱼类都是重要的海产经济鱼类。现已有很多研究利用分子手段分析鲽形目的进化地位,但是大都集中在整个硬骨鱼纲的分类上,其中只有一两种鲽形目鱼类作为代表,部分研究是关于鲽形目的科内及科间的系统关系。然而,关于鲽形目在起源演化及分类地位的研究还未见详细报道。
另一方面,在已测序完成的鲽形目舌鳎科半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)线粒体全序列里我们发现了其线粒体基因组的基因排列发生了重排和倒位,控制区也从通常的tRNA-Pro和tRNA-Phe之间移位到NDI基因和tRNA-Gln之间,并且其序列发生非常显著地变异。为了进一步研究鲽形目的起源及舌鳎科鱼类线粒体的基因重排问题,我们展开并完成了以下工作:
1.我们首先测定了重要的经济物种大菱鲆(Psetta maxima)的线粒体全序列,其基因组包括13蛋白质编码基因,2个rRNA基因和22个tRNA和一段控制区。与其他硬骨鱼线粒体基因组基因相比,ND2基因长度发生变异为1100bp,是现已测定的700多种硬骨鱼全序列中最长的。为了探索鲽形目的起源,我们另外选取了与鲽形目亲缘关系较近的41种硬骨鱼类线粒体全序列,基于12个蛋白质编码基因(除ND6基因)的密码子第一位和第二位核苷酸序列和22个tRNAs联合序列构建了贝叶斯系统发育树和最大似然系统发育树。结果显示鲽形目为单系群,并且鲽形目和鲈形目的鲹科有最近的共同祖先,因此系统发育分析结果不支持传统的鲽形目起源于海鲂、金眼雕及鲱鱼等的观点,而应该源于鲈鱼之后。同时,我们探讨了应用tRNA序列数据进行系统发育分析的可行性,结果显示tRNA序列,尤其是tRNA的非配对区序列能够提供系统发育信息,并且利用其数据构建的系统发育树显示的物种间的关系和之前的各种分子及形态学研究结果基本一致,因此tRNA序列可以用于研究硬骨鱼目水平的系统发育。
2.我们测定了舌鳎属的大鳞舌鳎(Cynoglossus macrolepidotus)、双线舌鳎(Cynoglossus bilineatus)、长钩须鳎(Paraplagusia bilineata)和短钩须鳎(Paraplagusia blochii)线粒体基因组控制区全序列,并与鲽形目其它鱼类控制区结构和序列进行了比较分析。结果表明,四种鱼类的控制区结构和其他鲽形目鱼类差异明显,只有CSB-A和TAS保守序列被识别。比较碱基组成发现这四种鱼类的AT含量比鲽形目其它鱼类要高。这些变异都可能导致该类鱼控制区的快速进化。所有四种舌鳎的控制区在5'端都存在串联重复序列,每个重复单元中都存在类似的TAS相关序列,并且这些重复序列中大部分可以形成非常稳定的二级结构,这两种特征为线粒体重复序列的非正常延伸机制(Illegitimateelongation model)提供了新的证据,同时我们也利用该机制推测了这些鱼类重复序列可能的延伸过程。
3.本研究在之前研究的基础上扩大的研究范围,新测定了两种鳎科鱼类:峨眉条鳎(Zebrias quagga)、日本钩嘴鳎(Heteromycteris japonicus);五种舌鳎属鱼类斑头舌鳎(Cynoglossus puncticeps)、舌鳎sp.(Cynoglossus sp.)、双线舌鳎(Gynoglossus bilineatus)、短吻三线舌鳎(Cynoglossus abbreviatus)、中华舌鳎(Cynoglossus sinicus)和三种须鳎属鱼类短钩须鳎(Paraplagusia blochii)、日本须鳎(Paraplagusia jraponica)、长钩须鳎(Paraplagusia bilineata)的线粒体全序列。十种鳎类的线粒体全序列长度从最短的短吻三线舌鳎16,417bp到斑头舌鳎的17,142bp不等,8种舌鳎和须鳎线粒体基因组的基因排列和大部分硬骨鱼类相比都发生了重排和倒位,控制区也从正常的tRNA-Pro和tRNA-Phe之间移位到NDJ基因和tRNA-Gin之间。我们利用类似于随机复制丢失的模型(duplication/random-loss model)来解释其产生:首先控制区由tRNA-Phe上游转座到ND1下游,由于控制区的移位导致复制不稳定,致使相邻的tRNA基因IQM(Ile、Gin和Met)发生了倒位复制,之后随着进化选择,重复的每两个tRNA退化掉一个,形成了现在的舌鳎类基因排序。
4.本实验室在研究角木叶鲽线粒体控制区时,我们发现其中的串联重复序列复杂而有规律,因此我们又测定了20个个体109个克隆的角木叶鲽(Pleuronichthys cornutus)重复序列来探讨其特征及变化规律。同时,我们从NCBI基因组数据库中下载并总结了所有的1358种脊椎动物线粒体基因组全序列数据,并筛选出其中的重复序列,通过比较分析脊椎动物线粒体重复序列来讨论脊椎动物重复序列的产生、延伸和删减机制。
关于重复序列的产生机制现存在多种假说,如分子内分子间重组(intra-orinter-molecular recombinalion)、滑链错配(slipped-strand mispairing)、非正常延伸(illegitimate elongation model)等。这些机制的适用性和适用范围还没有被研究。并且这些模型依然解释不了很多重复序列的特征,如长重复单元的重复数量要比短重复多,重复序列不仅可以在线粒体控制区生成也可以产生于线粒体基因组内的任何位置包括蛋白质编码基因,等。
基于角木叶鲽和脊椎动物的线粒体重复序列的特征及已有的关于产生机制的各种假说,我们提出了新的重复序列产生、延伸和删减的模型:暂停解链错配模型(Pause-Melting Misalignment model):当线粒体复制延伸发生暂停时,被新生链置换的链与新生链竞争结合模板链,从而导致新生链解链,当新生链重新结合模板链后,由于重复序列的存在,很容易导致错配的产生,当线粒体继续复制后,便会增加或者删减一个重复。经过下一轮线粒体复制后,这种变异就会稳定下来。
鲽形目;系统发育;线粒体;控制区;串联重复序列
中国海洋大学
博士
水生生物学
孔晓瑜;孔世春
2011
中文
Q959.486;Q951.3
151
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）