膜翅目线粒体基因组的特征与进化及其在系统发育研究中的应用

摘要

线粒体基因组具有基因组小、基因组成稳定、普遍为母性遗传和较少发生重组等特点，成为基因组学和进化研究的理想材料，也为系统发育等研究提供了丰富的分子标记。初步研究表明膜翅目线粒体基因组在碱基组成和基因排列等方面有其特殊性，然而相对于膜翅目庞大的类群，已测定的膜翅目线粒体基因组的种类非常有限。因此，对膜翅目线粒体基因组进行测序和分析，对揭示膜翅目线粒体基因组的进化以及研究该类群复杂的系统发育关系具有重要的意义。 本研究对膜翅目线粒体基因组进行了大规模测序和注释，利用比较基因组学和生物信息学等手段分析了膜翅目线粒体基因组的特征与进化，并通过大量的比较分析，阐明了相关的进化机制，在此基础上，基于线粒体全基因组序列对膜翅目在全变态类昆虫中的位置以及膜翅目内各类群的系统发育关系进行了研究。主要研究结果如下： (1)首次测定了膜翅目5个科11个种和长翅目1个种的线粒体基因组序列，分别对每个基因组进行了注释，分析了各基因组的基因组成、基因间隔区、基因排列方式、密码子使用情况、tRNA和rRNA基因的二级结构以及A+T富含区的结构等；发现广旗腹蜂Evania appendigaster线粒体基因组中有一段位于atp8和atp6之间的基因间隔区并可以形成mRNA二级结构，推测该区域是蛋白质编码基因atp8和atp6转录产物切割的信号位点；发现了半闭弯尾姬蜂Diadegma semiclausum线粒体基因组中位于cox1和cox2之间A+T含量极高(99.1％)的一条串联重复序列(1515bp)，推测该区域是由于cox1基因3’末端一段17bp序列发生滑连错配，并经过一系列独立的串联重复和随机突变、插入和缺失事件形成的；分析了白蜡吉丁虫柄腹茧蜂Spathius agrili、长尾全裂茧蜂Diachasmimorpha longicaudata和菜蛾盘绒茧蜂Cotesia vestalis A+T富含区中与复制/转录相关的元素(Poly-Tstretch、[TA(A)]n-like stretch、颈环结构(Stem-and-loop Structure)和位于颈环结构5’端的ATA和3’端G(A)nT结构)，首次在六足总纲中从结构上证明了A+T富含区颠倒的现象；发现菜蛾盘绒茧蜂线粒体基因组是目前已知基因重排最频繁的膜翅目线粒体基因组，推测认为其基因排列方式是由3类基因重排事件造成的。 (2)发现膜翅目线粒体基因组中发生重叠的基因很少发生基因重排，而发生重排的基因的两侧通常具有基因间隔区。在atp8和atp6之间以及nad4和nad4l之间通常具有一段基因重叠区，因而它们之间的相对位置较为稳定；发现一段位于trnS1和nad1之间的基因间隔区的保守序列，推测该区域为线粒体基因组复制终止的信号序列(mtTERM)；膜翅目线粒体基因组中trnK和trnS2使用与其它线粒体基因组不同的TTT和TCT做反密码子，发现这两个tRNA基因中非常规反密码子的使用与基因重排具有较高的相关性。 (3)通过分析未校正的Pi、非同义替换率与同义替换率的比率Ka/Ks以及Jukes-Cantor校正的非同义替换率与同义替换率的比率Ka/Ks(JC)等进化参数，发现膜翅目线粒体基因进化的速率高于其它全变态类昆虫；在全变态类昆虫中，nad6.atp8、nod41和nad2的进化速率最快，cox1、cox2、cob和nad5基因较保守；膜翅目中，意大利蜜蜂Apis mellifera、中国红光熊蜂Bombus ingitus、双色麦峰Melipona bicolor、盖拉头甲肿腿蜂Cephalonomia gallicola、眼斑驼盾蚁蜂Radoszkowskius oculata和樟虫长体茧蜂Macrocentrus camphoraphilus的Ka/Ks较高，长尾全裂茧蜂、金小蜂Nasonia longicornis和叶蜂Perga condei的较低。茧蜂科Braconidae内部各亚科的种类之间Ka/Ks差异较大。多数膜翅目线粒体基因组中发生颠换的次数多于转换。广旗腹蜂和眼斑驼盾蚁蜂发生替换(转换+颠换)的次数最多。 (4)膜翅目线粒体基因具有较高的重排速率，基因重排的程度在膜翅目各类群间存在差异，广腰亚目基因排列较细腰亚目保守，叶蜂P.condei已测序列中只发生了1次基因重排事件，而细腰亚目中各种类的基因重排次数在2～18不等；发生重排的基因主要集中在4个重排热点区：A+T富含区-nad2、nad2-cox1、cox2-atp8和nad3-nad5；重排的基因以tRNA为主，蛋白质编码基因和rRNA基因的重排只发生在少数种类中；在膜翅目线粒体基因组中，移位、倒置、基因洗牌和异位倒置等不同类型的重排事件发生的频率相似；首次提出了异位倒置是由两次重排事件引起的重排机理。 (5)在目前已测的六足总纲各目中，膜翅目线粒体基因组的A+T含量最高，鳞翅目Lepidoptera次之，缨翅目Thysanoptera和等翅目Isoptera的最低。膜翅目中，广腰亚目线粒体基因组的A+T含量较细腰亚目低；但在细腰亚目中，旗腹蜂的A+T含量较低，甚至低于广腰亚目中的种类。 (6)膜翅目中茧蜂科昆虫线粒体基因组的碱基组成偏向性发生了颠倒，其A+T富含区与复制/转录相关的元素的颠倒支持了碱基组成偏向性的颠倒是由于基因组复制起点的倒置引起的理论假设。 (7)比较分析了133个昆虫的线粒体基因组，发现碱基组成偏向性的颠倒在六足总纲中独立进化了3次，分别出现在膜翅目Hymenoptera茧蜂科Braconidae(7个种)、虱目Phthiraptera长角羽虱科Philopteridae(2个种)和半翅目Hemiptera粉虱科Aleyrodidae(6个种)；单个基因上的A+T偏斜的正负与基因的方向相关，而GC偏斜的正负与基因组复制起点的方向相关；结合最新的复制和转录研究理论，提出了一个新的关于碱基组成偏向性产生的假说：“不对称性脱氨基化假说(Asymmetric DeaminationHypothesis)”，即复制过程中A脱氨基化多于转录过程，转录过程C脱氨基化多于复制过程。 (8)利用线粒体全基因组序列对全变态类昆虫的系统发育关系进行了研究，结果支持膜翅目处于全变态类昆虫的基部位置，以及脉翅类Neuropterida(脉翅目Neuroptera+广翅目Megaloptera)的存在及其与“长翅目Mecoptera+双翅目Diptera”的姐妹群关系；对膜翅目内部各大类群的分析表明细蜂总科Proctotrupidea和小蜂总科Chalcidoidea以及姬蜂总科Ichneumonoidea和针尾部Aculeata(蜜蜂总科Apoidea+(蜾赢科Eumenidae+胡蜂科Vespidae))为姐妹群关系；在加入旗腹蜂科Evaniidae、肿腿蜂科Bethylidae和蚁蜂科Mutillidae进行分析时，得到了“姬蜂总科+(旗腹蜂科+((肿腿蜂科+蚁蜂科)+(蜜蜂总科Apoidea+(蜾赢科+胡蜂科))))”的系统发育关系，支持针尾部的单系性，旗腹蜂科与针尾部的姐妹群关系，姬蜂总科与(旗腹蜂科+针尾部)的姐妹群关系，但发现肿腿蜂科和蚁蜂科为姐妹群关系，表明胡蜂总科Vespoidea(蜾赢科，胡蜂科，蚁蜂科)是一个并系群；对茧蜂科Braconidae的系统发育关系分析表明蚜茧蜂亚科Aphidiinae与“圆口类Cyclostomes”为姐妹群关系，小腹茧蜂亚科群Microgastroids与长茧蜂科亚科群Helconoids构成“非圆口类Noncyclostomes”并与“蚜茧蜂亚科+圆口类”构成姐妹群关系。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：缩写与术语表

声明

致谢

第一章文献综述

1.1基因组学与比较基因组学

1.2线粒体基因组学

1.3线粒体基因组的特征

1.3.1线粒体的起源

1.3.2线粒体基因组的进化

1.3.3线粒体基因组的遗传

1.3.4线粒体基因组的重组

1.3.5线粒体基因组的基本特征

1.3.6后生动物线粒体基因组的结构特征

1.3.7动物线粒体基因的重排及其机理

1.3.8线粒体基因组的碱基组成偏向性

1.4线粒体基因组中的分子标记

1.4.1线粒体全基因组序列

1.4.2基因重排信息

1.4.3 RNA二级结构

1.4.4 A+T富含区的应用

1.4.5其它潜在分子标记

1.4.6线粒体基因组作为分子标记存在的问题

1.5膜翅目及其线粒体基因组研究进展

1.5.1膜翅目简介

1.5.2膜翅目线粒体基因组测序进展

1.5.3膜翅目线粒体基因组的特点

1.6膜翅目系统发育研究进展

1.6.1膜翅目在全变态昆虫中的地位

1.6.2膜翅目高级分类阶元的系统发育

1.6.3茧蜂科的系统发育

第二章基本材料与方法

2.1技术路线

2.2标本的收集

2.3主要试剂与仪器

2.3.1主要试剂

2.3.2主要仪器

2.4试验方法

2.4.1线粒体基因组的测序

2.4.2线粒体基因组的注释

2.4.3比较基因组学分析

2.4.4系统发育分析

第三章膜翅目线粒体基因组的特征

3.1广旗腹蜂Evania appendigaster线粒体基因组的基本特征

3.1.1基因组的结构

3.1.2蛋白质编码基因

3.1.3 tRNA和rRNA基因

3.1.4 atp8和atp6之间的基因间隔区

3.1.5 A+T富含区

3.2半闭弯尾姬蜂Diadegma semiclausum线粒体基因组的基本特征

3.2.1基因组的结构

3.2.2基因排列顺序

3.2.3蛋白质编码基因

3.2.4tRNA基因

3.2.5 rRNA基因

3.2.6A+T富含区

3.2.7串联重复序列区及其进化

3.3白蜡吉丁虫柄腹茧蜂Spathius agrili线粒体基因组的基本特征

3.3.1基因组的结构

3.3.2蛋白质编码基因

3.3.3 tRNA和rRNA基因

3.3.4 A+T富含区

3.4长尾全裂茧蜂Diachasmimorpha longicaudata线粒体基因组基本特征

3.4.1基因组的测序

3.4.2基因组的结构

3.4.3各基因的特点

3.4.4 A+T富含区

3.5烟蚜茧蜂Aphidius gifuensis线粒体基因组的基本特征

3.5.1基因组的结构

3.5.2各基因的特点

3.6菜蛾盘绒茧蜂Cotesia vestalis线粒体基因组的基本特征

3.6.1基因组的结构

3.6.2基因重排

3.6.3各基因的特点

3.6.4 A+T富含区

3.7黄愈腹茧蜂 Phanerotoma flava线粒体基因组的基本特征

3.7.1基因组的结构

3.7.2各基因的特点

3.8樟虫长体茧蜂Macrocentrus camphoraphilus线粒体基因组的基本特征

3.8.1基因组的结构

3.8.2基因重排

3.8.3各基因的特点

3.9斑痣悬茧蜂Meteorus pulchricornis线粒体基因组的基本特征

3.9.1基因组的结构

3.9.2各基因的特点

3.10盖拉头甲肿腿蜂Cephalonomia gallicola线粒体基因组的基本特征

3.10.1基因组的结构

3.10.2基因重排

3.10.3各基因的特点

3.11眼斑驼盾蚁蜂Radoszkowskius oculata线粒体基因组的基本特征

3.11.1基因组的结构

3.11.2各基因的特点

3.12丽新蝎蛉Neopanor papulchra线粒体基因组的基本特征

3.12.1基因组的结构

3.12.2各基因的特点

第四章膜翅目线粒体基因组的进化

4.1材料与方法

4.2膜翅目线粒体基因间的区域

4.3膜翅目线粒体基因密码子的使用

4.3.1蛋白质编码基因的起始密码子和终止密码子

4.3.2tRNA基因的反密码子

4.4膜翅目线粒体基因的排列与基因重排机制

4.4.1膜翅目线粒体基因的排列

4.4.2线粒体基因重排的机理

4.5膜翅目线粒体基因组的进化速率

4.5.1全变态类昆虫各目线粒体基因的进化速率

4.5.2膜翅目各类群线粒体基因的进化速率

4.6膜翅目线粒体基因组的碱基组成

4.6.1膜翅目线粒体基因组的A+T含量

4.6.2膜翅目线粒体基因组碱基组成偏向性

4.6.3六足总纲线粒体基因组碱基组成偏向性

4.6.4六足总纲线粒体各蛋白质编码基因区的碱基组成偏向性

4.6.5偏斜与基因方向和基因组复制起点方向的相关性统计检验

4.6.6碱基组成偏向性产生的机理

4.6.7碱基组成偏向性产生机理的应用

4.7茧蜂科rRNA二级结构及其在系统发育研究中的意义

第五章基于线粒体全基因组的膜翅目系统发育

5.1材料与方法

5.2不同方法以及不同矩阵得到的系统发育结果比较

5.3膜翅目在全变态类昆虫中的地位

5.4膜翅目高级阶元的系统发育研究

5.5茧蜂科内主要亚科的系统发育关系研究

第六章总结与讨论

6.1结果与讨论

6.2创新之处

6.3不足之处

6.4今后的研究方向

附章 本论文研究过程中发现的一新种 长体茧蜂属一新种记述

参考文献

附录