基于16S rRNA、12S rRNA和Cyt b基因的中华稻蝗和日本稻蝗遗传多样性分析

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中华稻蝗与日本稻蝗隶属于直翅目Orthoptera蝗总科Locustidae斑腿蝗科Catantopidae稻蝗属Oxya,两者在我国各大水稻种植区皆有分布,中华稻蝗与日本稻蝗形态相似、习性相同,喜欢取禾本科植物幼嫩叶片,对叶片造成重大损害,主要危害水稻、茭白、玉米等农作物,是我国主要的农业害虫。研究两种蝗虫的遗传差异不仅对两种稻蝗的分类鉴定具有理论意义,也为生产实践中蝗虫防治等方面具有及其重要意义。目前,国内基于线粒体基因对中华稻蝗和日本稻蝗两者间的遗传差异性研究以及遗传分化和地理变异研究较少,本论文以16S rRNA、 12S rRNA、Cytb基因部分序列作为分子标记,对中华稻蝗和日本稻蝗两者进行了相关研究分析,为揭示两种稻蝗间的亲缘关系、各自种内亲缘关系与地理变异的关系、两种稻蝗的进化机制等提供分子证据。本研究运用PCR产物直接测序法,测定了中华稻蝗5个地理种群与日本稻蝗4个地理种群的线粒体基因16S rRNA(508bp)、12S rRNA(357bp)、Cyt b(579bp)基因部分片段,对这三个基因片段的碱基组成、碱基替换、碱基替换饱和性、遗传距离进行了检验。用数学模型对三个基因片段间的相合性进行了分析与检测。并分别采用ML、NJ、UPMGA、ME等4种方法依次对16S rRNA基因片段、12S rRNA基因片段、Cyt b基因片段以及12S rRNA & 16S rRNA &Cyt b联合数据集进行建树得到如下结论:(1)通过PCR扩增出的中华稻蝗16SrRNA基因片A、T、C、G的平均含量分别为38.9%、31.6%、17.1%、12.4%,A+T碱基含量为70.5%。日本稻蝗16S rRNA基因片段A、T、C、G的平均含量分别为38.6%、32.2%、17.4%、11.8%,A+T碱基含量为70.8%。中华稻蝗12S rRNA基因部分序列的A、T、C、G的平均含量分别为32.1%、41.4%、16.9%、9.6%;A+T碱基含量为73.5%。日本稻蝗12S rRNA基因部分序列的A、T、C、G的平均含量分别为30.7%、41.6%、17.6%、11.0%,A+T碱基含量为72.3%。中华稻蝗Cyt b基因部分序列的A、T、C、G的平均含量分别为40.3%、33.5%、10.6%、15.5%,A+T碱基百分比分别为73.8%;日本稻蝗Cyt b基因部分序列的A、T、C、G的平均含量分别为39.9%、32.1%、12.0%、15.9%。A+T碱基碱基含量为72.0%。符合线粒体基因的明显的A+T碱基偏向性。(2)对16S rRNA基因片段进行统计,可知该数据集总的转换数值为12颠换值为8,R值为1.53,且碱基置换最活跃的位置在密码子第一、三位点上。对12S rRNA基因部分序列的信息进行统计,结果可知:该数据集总的转换数值为9颠换值为3,R值为2.80,在密码子第一、三位点是碱基置换最活跃的位置。应用MEGA6对Cyt b基因数据集的转换值Ts、颠换值TV、转换/颠换比R等信息进行统计分析。可知该数据集总的转换数值为22,颠换值为8,R值为2.81,且碱基置换最活跃的位置在密码子第一位上。(3)以校正遗传距离p为横坐标,转换数(Ts)和颠换数(Tv)为纵坐标作饱和替换分析图。结果表明16S rRNA、12S rRNA、Cyt b基因部分序列的转换数(Ts)的值要都高于颠换数(Tv),且伴随着横坐标遗传距离p数的增加,转换数(Ts)与颠换数(Tv)两者都出现一定程度的增长,但颠换数(Tv)趋向平缓,而转换数(Ts)则呈线性快速增长趋势。两者皆成线性增长,说明序列无替换饱和迹象。(4)根据Kimura双参数模型对中华稻蝗和日本稻蝗的遗传距离进行分析,分别基于16S rRNA、12S rRNA、Cyt b基因部分序列的结果都显示两种稻蝗种内不同地理种群均存在一定的遗传距离,但总体分析,中华稻蝗和日本稻蝗种内不同地理种群间遗传距离不大,尚未出现种群的遗传分化;而两种间遗传距离较大,差异明显。(5)通过LID检验16S rRNA、12S rRNA、Cytb三个序列的联合数据集。得到的P值为0.51,远大于不可联合建树值阈0.05,同样根据PHT检验得到12SrRNA& 16S rRNA& Cyt b联合数据集的P值为0.4,远大于不可联合建树值0.05,说明12S rRNA & 16S rRNA & Cyt b联合数据集适用于联合建树。(6)采用ML、NJ、UPMGA、ME等4种方法依次对中华稻蝗和日本稻蝗的线粒体基因16SrRNA片段、12S rRNA片段、Cytb片段以及12SrRNA & 16S rRNA &Cytb联合数据集进立系统发育树,比较三个基因部分序列与联合数据集所建树以及3个数据集4种方法所建树与联合树有的存在些许的差异,但都支持共同的分支关系。即:中华稻蝗与日本稻蝗种间遗传差异明显,中华稻蝗种内不同地理种群间都存在一定的遗传差异,但不同地理种群间遗传距离不大,遗传差异并不明显,其亲缘关系与地理距离远近没有相应的关联。日本稻蝗的武汉、济南、哈尔滨种群间的遗传距离小,而海南岛儋州种群与三者的遗传距离相对较大,在各系统发育树中单独聚合为一分支。
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