五倍子蚜转座子及其在角倍蚜全基因组的全面分析

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转座子(Transposable elements,TEs),也称为跳跃基因,广泛分布在昆虫的基因组中,并在基因组进化中起着重要作用。转座子可以自我复制,并在基因组中从一个位置转移到另外位置。根据其转位机制的不同分为两类,即Class I和Class II。在所有生命形式中,从细菌到高等植物和动物,包括昆虫等,都有对TE丰度和进化方面的研究报道。转座子在昆虫基因组中广泛分布,但缺乏关于五倍子蚜基因组中转座子的任何信息。本研究通过高通量测序方法测定五倍子蚜基因组序列,对不同五倍子蚜的Mariner转座子特征进行了分析,探讨其与其他昆虫间的水平转移事件,并基于角倍蚜全基因组对其转座子进行了详细全面的分析,主要结果如下:首先,Mariner科是节肢动物和昆虫基因组中传播最广泛的Class II转座子,在基因组进化中具有重要作用。本研究从通过浅层基因组测序得到的五倍子蚜6属7个种的基因组中获得Mariner转座子,对其特征进行分析,共鉴定出121个Mariner-like elements(MLEs),反映了其对五倍子蚜的入侵。MLE序列大小范围为1,000 bp至1,440 bp,结构分析显示,只有5个拷贝在完整的开放阅读框(ORF)和反向重复末端区(TIRs)具有潜在活性。系统发育分析表明,所有MLE序列分属于4个亚科,分别为Mauritiana,Drosophila,Vertumana和Irritans,其中Drosophila和Irritans首次在蚜虫中报道。本研究揭示了五倍子蚜基因组中Mariner转座子的多样性和分布,拓展了对蚜虫基因组中转座子的多样性和进化认识,在蚜虫的基因组进化和适应中发挥重要作用。其次,分析了转座子在五倍子蚜和其他昆虫之间的水平转移事件(HTT)。和所有其他核基因一样,TE也可以从父母到后代垂直遗传,然而,TE可以通过水平转移(HT)现象在不同的生物体之间传播。HTT事件尚不清楚,但可以肯定的是,它与TE的跳跃特征有关。对检测到的7种五倍子蚜中的MLEs进行分析,以了解可能的HT事件。选与五倍子蚜关系较远昆虫物种的具有低核苷酸分歧的MLEs进行HT分析,上述121个序列分属于5个分支,从每组选择一个代表性序列进行进一步的系统发育分析。结果发现在五倍子蚜和5个目,即膜翅目、鳞翅目、双翅目、鞘翅目和脉翅目等昆虫的MLEs之间发生了至少5个不同的HT事件和多个HTT事件。HTT是TE中的常见现象,有助于它们在不同的基因组中传播。本研究首次报告了五倍子蚜和其他昆虫之间的HTT事件,填补了这方面的空白,有助于进一步了解五倍子蚜基因组中可转座元件的进化和扩散。第三,五倍子蚜全基因组的TE研究对基因组结构和组成具有重要作用。采用三代高通量测序方法测定五倍子蚜主要种类角倍蚜全基因组序列,使用特征和同源性策略,在五倍子蚜全基因组中共鉴定出308,196个TE,在整个数据集中,全长TE由7,601个元素组成,包括LTR-RTs,non-LTR-RTs和DNA转座子,约占整个基因组的7%。在LTR-RT中,Gypsy和Pao的全长副本数量更多,而LINE在非LTR-RTs中有更多的全长副本。在DNA转座子中,DIRs的h AT和Tc1/Mariner超家族是最丰富的,而Maverick超家族在Class II中最丰富。总体而言,Repeat Masker覆盖了约26.04%的角倍蚜基因组,LTR-RTs、非LTR-RTs和DNA转座子分别占4.47%、5.12%和16.45%。RT-TE分为10个超家族和1个未知组,而DNA转座子分为两个亚类,20个超家族和1个未知组。本研究可靠地注释了角倍蚜全基因组的TE,数据分析表明,TE是角倍蚜整体染色体水平基因组组装的重要决定因素,首次提供了角倍蚜基因组中全面的TE信息特点。本研究也发现许多来自不同家族的TE在角倍蚜基因组中具有转录活性,而且在角倍蚜基因组中发现了不同类型的转座酶衍生蛋白,深入了解了与TE相关的插入失活和异化的功能基因。我们认为在功能基因的内含子中,TE片段的存在会影响功能基因的活性。内含子中许多TE片段会导致功能基因的间接失活。总之,本研究首次发现并报告了7种五倍子蚜中Mariner转座子的特点和多样性,发现了五倍子蚜TE与其他5个不同目昆虫之间至少发生了5个独立的的HTT事件;同时,分析角倍蚜染色体水平基因组组装中TE的多样性和分类,为进一步研究五倍子蚜的TE提供基因组水平的基础资料和信息;另外,分析角倍蚜染色体水平基因组组装中TE的分布、多样性和分类,报告了与TE相关的插入失活功能基因。分析角倍蚜基因组中TE的多样性和分布,可以为瘿蚜和非瘿蚜虫之间的比较研究提供参考,也可深入理解TE在其寄主基因组进化中的作用。
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