蝗总科rDNA的结构、协同进化及系统发育分析

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核糖体DNA(rDNA)广泛存在于所有生物的基因组,成为适用于所有生物的通用分子标志,而rDNA中的18S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA、ITS1和ITS2等组分的进化速率各不相同,适合于不同层次系统发育分析对分子标志的不同变异程度的需求。因此,rDNA作为分子标记被广泛应用于进化和系统发育研究。蝗总科是直翅目中的第二大总科,虽然目前国内外已经开展了大量的蝗总科系统发育关系等方面的研究工作,但主要集中在科内分类阶元上,而且是以线粒体基因组数据为主,还没有进行过完整的rDNA的分析。近年来随着高通量测序技术的普及,已测昆虫基因组的物种数量迅速增加,组装完整rDNA转录单位并研究其协同进化特征和系统发育分析成为可能。本研究选择斑腿蝗科(Catantopidae)、斑翅蝗科(Oedipodidae)、网翅蝗科(Areypteridae)、癞蝗科(Pamphagidae)和剑角蝗科(Acrididae)5科48种蝗虫,以及外群蜢总科1种和蚱总科3种,共52个物种,基于基因组探查测序数据,经过序列拼接组装出完整的rDNA重复单位,对其结构、序列组成、协同进化和系统发育进行分析,以揭示这些蝗虫rDNA重复单位的组织结构和核苷酸变异、协同进化特征等,并通过rRNA基因序列构建所选取蝗虫的系统发育关系。获得的主要结果如下:1.本文共对48种蝗总科昆虫基因组进行了浅测,获得了4G原始数据,通过SOAPdenovo2组装出48种蝗虫完整的rDNA,其中:18S rRNA基因长度为1910~1922bp,28S rRNA为4591~4598bp,ITS1为312~394bp,ITS2为170~215bp,5.8S rRNA为154~156bp。2.蝗总科18S rRNA、28S rRNA、ITS1、ITS2、5.8S rRNA基因都存在明显的GC偏向,其中ITS2的GC含量高达64.9%,其次是ITS1,GC含量为60.6%;28S rRNA的GC含量为60.3%;5.8S rRNA的GC含量为58.7%;18S rRNA的GC含量为51.7%。3.RNA二级结构预测和Coverj协同进化位点分析发现,18S rRNA的协同进化位点最少,ITS1+5.8S+ITS2的协同进化位点次之,28S rRNA协同进化位点最多,18S rRNA和28S rRNA的协同进化位点的70%集中在茎区。4.以蜢总科的郑氏比蜢(Pielomastax zhengi)、蚱总科的乳源蚱(Tetrix ruyuanensis)、瘦悠背蚱(Euparatettix variabilis)、九万山蚱(Tetrix jiuwanshanensis)为外群,采用贝叶斯系统发育推论法和最大似然法建立的系统树的拓扑结构基本一致。参照我国现在使用的夏氏分类系统,在蝗总科内部大致分为四个分支,癞蝗科位于树的基部,为较早分歧的科;斑腿蝗科为第二支;剑角蝗科和网翅蝗科的物种交织在一起,无法分开。斑翅蝗科的所有物种聚为一支,与剑角蝗科和网翅蝗科组成的类群关系密切。本文的研究结果表明,采用生物信息学方法可以从基因组浅测数据(4Gb)中组装一个物种的完整rDNA单位;rDNA单位和各基因长度在蝗总科中存在变异,rRNA序列内部存在协同进化位点,且70%协同进化位点集中在茎区。蝗总科昆虫完整rDNA转录单位数据集将为后续直翅目核糖体基因和系统发育研究奠定基础。
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