蛇类线粒体基因组结构演化研究及原矛头蝮属生物地理学分析

摘要

蛇类的线粒体全基因组含有22个tRNA基因，2个rRNA基因，13个蛋白质编码基因，1个或者2个控制区。蛇类的线粒体基因组和经典的的脊椎动物相比，拥有其特有的结构。与哺乳动物线粒体结构稳定性相比，在其他各种动物类群中经常可以发现控制区域的加倍，大部分重复的两个控制区被认为是以协同的方式进行演化。在蛇类的线粒体基因组中，控制区的重复状态及其协同演化的模式已经持续了7000多万年。原矛头蝮属现有14个物种，主要的分布区位于中国的秦岭、淮河流域，南亚，中南半岛和琉球群岛。
　　本研究通过一代测序技术获取9个蛇类线粒体基因组序列，并从GenBank数据库中获取相关蛇亚目基因组序列。此外，本研究还扩增、测序了原矛头蝮属物种的线粒体基因与核基因序列。结合本研究已测定的序列以及NCBI数据库中相关的序列，探讨以下3个问题:(1)蛇类线粒体基因组结构的排列模式、演化过程以及可能的重排机制;(2)真蛇下目蛇类控制区演化模式;(3)原矛头蝮属物种的起源和各类群的扩散路径。本论文的主要研究结果如下:
　　(1)蛇类线粒体基因组结构研究
　　对蛇亚目14个科的94个物种的线粒体基因组进行分析，研究结果显示，94个蛇类线粒体全基因组存在12种线粒体基因排列模式(类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-B1、Ⅲ-B2、Ⅲ-C、Ⅲ-D、Ⅲ-E、Ⅲ-F和Ⅲ-G)。类型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别起源于一个未知或者不确定的祖先线粒体基因组排列，其他九种类型直接或者间接起源于类型Ⅲ，每种类型都有它们自己的独特特征。基因重排主要涉及四个过程，包括基因丢失、加倍、插入和移位。OL在盲蛇下目物种中独立丢失两次，但存在于所有真蛇下目物种中。控制区加倍和tRNALeu基因移位是真蛇下目物种基因组的两个主要特征。脯氨酸残基（P*）独立地分布在游蛇科和水蛇科的7个支系中，它的出现是随机事件。对于蛇类线粒体基因组来说，WANCY基因簇、控制区及其相邻区段是重排的热点，重复控制区的维持和不对称性是线粒体基因组结构多样性的来源。
　　(2)蛇类双控制区的演化模式
　　从Genbank中获取真蛇下目蛇类88个物种96个个体的控制区基因序列，用于控制区演化模式分析。选择舟山眼镜蛇作为代表，使用RDP4软件对其控制区进行了多重组位点的检测分析，探究双控制区更精确的演化模式。研究结果显示，在种的水平上，来自同一物种的旁系同源控制区(CR1和CR2)聚在一起，来自不同物种直系同源控制区(CR1或CR2)彼此分开。然而，在一少部分蛇类的线粒体基因组中，结果却不同:直系同源控制区聚类在一起，而旁系同源控制区彼此分开。在真蛇下目蛇类的双控制区演化过程中存在两种方式:协同演化和独立演化。协同演化是广泛存在大部分类群中的，而独立演化则发生在少部分类群中，而非单个的、偶然的现象。通过对舟山眼镜蛇研究时发现，其双控制区来源于异源重组，演化模式为独立演化。控制区中的功能区都存在，没有发生退化。可能是重组使得重复控制区在长期的独立演化过程中保持高度的相似性。
　　(3)原矛头蝮属的生物地理学研究
　　使用4个线粒体和6个核基因作为分子标记来讨论原矛头蝮属的系统发育关系。综合分歧时间、古气候、古地理等证据，对原矛头蝮属进行生物地理学研究，推测该属的起源中心和各类群的扩散路径。研究结果表明，原矛头蝮属起源于中新世中前期(20.64Ma)，在17.20Ma开始属内的分化，14个物种分为4大支。原矛头蝮属的现有物种的祖先分布区位于中国西南部及邻近区域，分别向青藏高原和中国中、东部扩散，先后经历了38次扩散事件和11次隔离事件，从而形成了今天的分布格局。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 蛇类线粒体结构与基因重排方式

1．1．1 线粒体基因组结构特征

1．1．2 线粒体基因重排机制

1．1．3 蛇类线粒体基因重排的研究进展

1．2 双控制区的起源与演化

1．2．1 双控制区的研究进展

1．2．2 双控制区的产生和维持机制

1．3 原矛头蝮属的研究

1．3．1 原矛头蝮属简介

1．3．2 原矛头蝮属研究进展

1．4 生物地理学

1．4．1 生物地理学的定义和学科分类

1．4．2 生物地理学的发展和展望

第二章 9种蛇类线粒体基因组全序列的测序与分析

2．1 实验材料

2．1．1 实验设备

2．1．2 实验试剂

2．2 实验方法

2．2．1 样品DNA提取

2．2．2 引物设计

2．2．3 序列扩增和测序

2．2．4 数据整理和分析

2．3 结果与分析

2．3．1 菜花原矛头蝮线粒体基因组的结构分析

2．3．2 缅北原矛头蝮线粒体基因组结构分析

2．3．3 角原矛头蝮线粒体基因组的结构分析

2．3．4 喜山原矛头蝮线粒体基因组的结构分析

2．3．5 黄绿原矛头蝮线粒体基因组的结构分析

2．3．6 赤链蛇线粒体基因组的结构分析

2．3．7 黑背链蛇线粒体基因组的结构分析

2．3．8 黄链蛇线粒体基因组的结构分析

2．3．9 刘氏链蛇线粒体基因组的结构分析

2．4 讨论与总结

2．4．1 研究中蛇类线粒体基因组比较

2．4．2 线粒体蛋白编码基因比较

2．4．3 线粒体控制区基因比较

第三章 蛇类线粒体基因组结构演化研究

3．1 数据处理与分析

3．1．1 数据的收集

3．1．2 系统发育关系分析

3．1．3 蛇类基因组结构排列

3．2 结果与分析

3．2．1 蛇类基因组结构排列的类型和分布

3．2．2 蛇亚目的系统发育关系

3．2．3 蛇类基因组结构排列的演化推测

3．3 讨论与总结

3．3．1 蛇类线粒体基因组结构研究

3．3．2 蛇类基因组重排的热点区域

第四章 蛇类线粒体双控制区的演化研究

4．1 实验材料

4．2 实验方法

4．2．1 数据收集和样品采集

4．2．2 DNA提取

4．2．3 PCR扩增和测序结果分析

4．2．4 蛇类线粒体双控制区的系统演化分析

4．2．5 眼镜蛇双控制区的系统演化

4．2．6 重组检测分析

4．3 结果与分析

4．3．1 蛇类线粒体双控制区的演化

4．3．2 眼镜蛇线粒体双控制区的演化

4．3．3 双控制区重组检测分析

4．4 讨论与总结

4．4．1 蛇类线粒体双控制区的演化方式

4．4．2 眼镜蛇线粒体双控制区的独立演化

4．4．3 双控制区的异源重组

4．4．4 眼镜蛇线粒体双控制区的功能维持

第五章 原矛头蝮属生物地理学研究

5．1 实验材料

5．2．2 序列扩增和测序

5．2．3 系统发育关系分析

5．2．4 分歧时间估计

5．3 结果与分析

5．3．1 系统发育关系和遗传距离分析

5．3．2 分歧时间估算

5．3．3 原矛头蝮属蛇类的生物地理分析

5．4 讨论与总结

5．4．1 系统发育关系

5．4．2 原矛头蝮属蛇类的生物地理历史

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文