黄嘴白鹭TLR基因及遗传多样性研究

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遗传多样性是反映生物生存适应和进化潜力的重要参数,其研究有助于了解生物进化历史,也有益于掌握物种的濒危原因并科学制定其保护遗传学措施,因此遗传多样性是保护遗传学研究的核心。Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)是普遍存在于动物的先天免疫基因家族。在免疫基因中,TLR基因与主要组织相容性复合体(Major histocompatibility complex,MHC)相比,较易获得(较少的假基因和基因重复)且具有着较高水平的基因多样性,因此,TLRs基因已被逐渐用于研究适应性遗传多样性。但是,至今为止,有关鹭科鸟类的TLRs基因研究尚未在国内外开展。黄嘴白鹭(Egretta eulophotes)是一种迁徙性水鸟,其已被国际自然保护联盟(International union forconservation ofnature,IUCN)列为易危物种。本文在掌握黄嘴白鹭TLRs基因特性的基础上,进一步研究黄嘴白鹭TLRs基因遗传多样性,目的在于了解黄嘴白鹭的遗传受危机制,促进其科学保护。主要研究成果如下:(1)基于高通量测序技术,通过筛查和鉴定,获得了黄嘴白鹭的TLR基因CDS序列,包括:TLR1LB、TLR2A、TLR3、TLR4、TLR5、TLR7 和 TLR15,通过 NJ 系统发育树分析表明这些基因与原鸡(Gallusgallus)TLRs基因一一对应。所有的基因中未发现有基因重复和假基因。序列中也未发现终止密码子、移码突变或缺失/插入。(2)基于黄嘴白鹭TLRs基因的LRR多态性区域而设计出9对引物,引物都能成功扩增出目的条带,纯化测序后的序列分别确认为TLR1LB、TLR2A、TLR3、TLR4、TLR5、TLR7和TLR15基因的LRR区域片段。进一步将该引物集应用于其他9种鹭科鸟类,包括鹭亚科(白鹭Egretta garzetta、苍鹭 Ardea cinerea、池鹭 Ardeola bacchus 和牛背鹭Bubulcus ibis)和麻鳽亚科(黄苇鳽Ixobrychus sinensis、海南鳽Gorsachius magnificus、紫背苇鳽Ixobrychus eurhythmus、栗苇鳽Ixobrychus cinnamomeus和黑苇鳽Dupetor flavicollis),结果都能够成功地扩增出目的条带(除黄苇鳽TLR15),表明该引物集在鹭科鸟类中具有通用性。(3)利用上述引物,通过PCR分别扩增易危物种黄嘴白鹭(4个种群,个体数120)和广布种白鹭(2个种群,个体数20)群体的7种TLR基因LRR区域,并比较两者TLRs基因SNP多态性和种群遗传多样性的差异,结果表明黄嘴白鹭TLRs的SNP多态性和遗传多样性水平均低于白鹭。其中,黄嘴白鹭和白鹭中分别发现了 26个(sSNPs:nsSNPs=16:10)和45个(sSNPs:nsSNPs=25:20)多态性SNPs位点,且黄嘴白鹭的任意TLR基因非同义SNPs数量上都少于白鹭;除TLR3、TLR5和TLR7外,易危黄嘴白鹭种群的遗传多样性低于广布白鹭种群。这与其他已报道相似,濒危鸟类物种具有较低的遗传多样性。(4)采用分子方差分析AMOVA和STRUCTURE贝氏归群分析(Bayesian clustering analysis)两种方法分别分析中国境内4个黄嘴白鹭自然繁殖种群的遗传分化及地理结构,结果提示4个种群可以归为一个适应性进化单元(AU)。其中,基于7个TLRs基因所有多态位点,4个黄嘴白鹭种群间存在小但显著的遗传分化(FST=0.011,p<0.05),但其地理结构并未出现明显的不同,考虑到黄嘴白鹭种群之间在长途迁徙过程中可能存在基因交流,因此建议将4个种群作为一个适应性进化单元。(5)采用DataMonkey检测黄嘴白鹭TLRs基因在进化上受到的选择压(ω=dN/dS),同时利用SLAC,FUBAR和MEME三种算法检测正选择位点(Positively selected sites),结果表明,多数TLRs基因(TLR1LB、TLR2A、TLR3和TLR15)经受纯化选择(ω<1),但TLR5经受强烈的正选择(ω=48.60>1)。在TLRs基因中未检测到同时满足任意两种模型(SLAC,FUBAR和MEME)的正选择位点,说明TLRs在进化过程中的多数突变是有害的。综上所述,本研究从黄嘴白鹭基因组中成功的鉴定和分离出7种TLRs家族成员,包括TLR1LB、TLR2A、TLR3、TLR4、TLR5、TLR7和TLR15。对这些基因结构解析后,针对胞外域LRR多态性区域开发了 9对引物,成功地在10种鹭科鸟类中扩增(除黄苇鳽TLR15),表明该引物集在鹭科鸟类中具有通用性。进一步将其应用于探究黄嘴白鹭野外种群遗传多样性和种群结构,并同亲缘姐妹广布种白鹭进行对比,结果显示易危物种遗传多样性水平均低于白鹭,这提示低TLRs遗传多样性可能是导致黄嘴白鹭受危的因素之一。黄嘴白鹭中国境内四个不同地理种群间存在小但显著的遗传分化,但并未出现明显不同的地理结构,可以归为一个适应性进化单元(AU),有益于指导该物种的保护管理工作。
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