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两栖类是脊椎动物中由水上陆的重要过渡类群,该类群首次出现中耳,且内耳产生了真正的听觉。凹耳臭蛙(Odorrana tormota)被证明是第一个能产生并检测超声信号的非哺乳类脊椎动物。随后的研究中发现婆罗洲岛的涧蛙(Huia cavitympanum)和凹耳臭蛙同域分布的大绿臭蛙(Odorrana graminea)也具有超声通讯能力。无尾两栖类所具有的超声听觉可能是在进化过程中对溪流环境长期适应的结果,但目前无尾两栖类超声听觉进化适应的分子机制尚不清楚。研究证明,听觉基因KCNQ4和Prestin对脊椎动物听觉的敏感性和频率选择性具有重要作用,并且这两个基因都与哺乳动物的超声听觉有关。
本研究基于转录组测序数据,通过cDNA末端快速扩增技术并结合NCBI数据库获得了不同栖息类型的15种无尾两栖类的KCNQ4和Prestin听觉基因的编码区序列,运用贝叶斯法(BI法)和最大似然法(ML法)分别基于2个基因的核苷酸和氨基酸序列构建无尾两栖类物种的系统发育关系,并通过PAML软件进行选择压力分析,探讨KCNQ4和Prestin听觉基因在无尾两栖类中的进化适应。
结果表明:
(1)凹耳臭蛙和大绿臭蛙KCNQ4基因cDNA序列CDS长2046bp,编码681个氨基酸;Prestin基因cDNA序列CDS长2265bp,编码754个氨基酸。
(2)分支模型中“one-ratio”模型结果(dN/dS=0.0761<1)表明无尾两栖类KCNQ4基因在功能上受到约束。“free-ratio”模型结果显示KCNQ4基因在无尾两栖类不同支系所受到的选择压力不同,在蛙科和树蛙科祖先支受到正选择作用(dN/dS=999.0000);在天目臭蛙、臭蛙属以及新蛙亚目祖先支选择压力增大(dN/dS值分别为0.1751、0.1105、0.9341,均大于0.0761)。支位点模型结果表明KCNQ4基因在天目臭蛙祖先支受到强烈的正选择作用(dN/dS=999.0000),并检测到一个正选择位点(84W)。
(3)分支模型中“one-ratio”模型结果(dN/dS=0.13013<1)表明无尾两栖类Prestin基因在功能上受到约束。“free-ratio”模型结果显示Prestin基因在无尾两栖类不同支系所受到的选择压力不同,在凹耳臭蛙和大绿臭蛙祖先支、臭蛙属和中国林蛙祖先支受到正选择作用(dN/dS值分别为118.4911、1.5393);在天目臭蛙、新蛙亚目祖先支选择压力增大(dN/dS值分别为0.7064、0.2567,均大于0.13013)。“two-ratio”模型结果表明Prestin基因在臭蛙属和中国林蛙祖先支受到正选择作用(dN/dS=1.57584)。
结论:
(1)KCNQ4基因在蛙科和树蛙科祖先支、天目臭蛙祖先支经历了适应性进化。天目臭蛙、臭蛙属和新蛙亚目祖先支呈现选择压力放松趋势,提示KCNQ4基因在无尾两栖类适应从水到陆转变过程中以及对溪流生境适应过程中发挥重要作用。
(2)Prestin基因在凹耳臭蛙和大绿臭蛙祖先支、臭蛙属和中国林蛙祖先支经历了适应性进化,该基因的适应性进化可能是无尾两栖类对溪流生境适应的结果。同时研究结果也暗示臭蛙属其他物种和中国林蛙可能存在超声通讯。新蛙亚目祖先支呈现选择压力放松趋势,提示Prestin基因在无尾两栖类适应从水到陆转变过程中发挥重要作用。
本研究基于转录组测序数据,通过cDNA末端快速扩增技术并结合NCBI数据库获得了不同栖息类型的15种无尾两栖类的KCNQ4和Prestin听觉基因的编码区序列,运用贝叶斯法(BI法)和最大似然法(ML法)分别基于2个基因的核苷酸和氨基酸序列构建无尾两栖类物种的系统发育关系,并通过PAML软件进行选择压力分析,探讨KCNQ4和Prestin听觉基因在无尾两栖类中的进化适应。
结果表明:
(1)凹耳臭蛙和大绿臭蛙KCNQ4基因cDNA序列CDS长2046bp,编码681个氨基酸;Prestin基因cDNA序列CDS长2265bp,编码754个氨基酸。
(2)分支模型中“one-ratio”模型结果(dN/dS=0.0761<1)表明无尾两栖类KCNQ4基因在功能上受到约束。“free-ratio”模型结果显示KCNQ4基因在无尾两栖类不同支系所受到的选择压力不同,在蛙科和树蛙科祖先支受到正选择作用(dN/dS=999.0000);在天目臭蛙、臭蛙属以及新蛙亚目祖先支选择压力增大(dN/dS值分别为0.1751、0.1105、0.9341,均大于0.0761)。支位点模型结果表明KCNQ4基因在天目臭蛙祖先支受到强烈的正选择作用(dN/dS=999.0000),并检测到一个正选择位点(84W)。
(3)分支模型中“one-ratio”模型结果(dN/dS=0.13013<1)表明无尾两栖类Prestin基因在功能上受到约束。“free-ratio”模型结果显示Prestin基因在无尾两栖类不同支系所受到的选择压力不同,在凹耳臭蛙和大绿臭蛙祖先支、臭蛙属和中国林蛙祖先支受到正选择作用(dN/dS值分别为118.4911、1.5393);在天目臭蛙、新蛙亚目祖先支选择压力增大(dN/dS值分别为0.7064、0.2567,均大于0.13013)。“two-ratio”模型结果表明Prestin基因在臭蛙属和中国林蛙祖先支受到正选择作用(dN/dS=1.57584)。
结论:
(1)KCNQ4基因在蛙科和树蛙科祖先支、天目臭蛙祖先支经历了适应性进化。天目臭蛙、臭蛙属和新蛙亚目祖先支呈现选择压力放松趋势,提示KCNQ4基因在无尾两栖类适应从水到陆转变过程中以及对溪流生境适应过程中发挥重要作用。
(2)Prestin基因在凹耳臭蛙和大绿臭蛙祖先支、臭蛙属和中国林蛙祖先支经历了适应性进化,该基因的适应性进化可能是无尾两栖类对溪流生境适应的结果。同时研究结果也暗示臭蛙属其他物种和中国林蛙可能存在超声通讯。新蛙亚目祖先支呈现选择压力放松趋势,提示Prestin基因在无尾两栖类适应从水到陆转变过程中发挥重要作用。