基于基因组序列6-mer频谱特性探讨细菌亲缘关系

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微生物是地球生态系统的主宰者,占所有地球生物量的50%,按细胞结构分为原核微生物和真核微生物,原核微生物又包括细菌和古细菌,细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的生命体,是大自然物质循环的重要一环,与动植物生存进化关系密切。研究细菌的分类学和生存依赖关系对于揭示种间关系具有重要的生物学意义。本文将基于研究组前期分析基因组序列密码机制的基础上,进一步研究该进化机制在细菌中的普适性。我们分析了革兰氏阳性细菌低G+C含量的厚壁菌门和高G+C含量的放线杆菌门两类共403个细菌基因组序列CG1、CG0、TA1和TA0子集6-mer频谱分离度和保守度特征参量以及各组参量之间的关系。研究发现CG1和TA1子集6-mer频谱的分离度和保守度值在细菌基因组序列中是具有代表性意义的特征量参量,它们反应了细菌分类的部分相关特性。CG0和TA0子集频谱的分离度和保守度特征与细菌分类关系并不敏感。无论是在高G+C含量还是在低G+C含量的细菌基因组中CG1、TA1子集的分离度和保守度之间都呈正相关关系,因此我们用CG1的分离度和保守度代表着CG独立选择强度,TA1的分离度和保守度代表着TA独立选择强度。随着CG独立选择强度越高,则TA独立选择强度随之降低,CG1和TA1彼此的分离度和保守度之间呈负相关相互抑制的关系,这与研究组之前的研究结论相吻合。因此,我们提出假设两种独立选择强度和它们之间的相互抑制决定了基因组序列所处的基因状态。除此之外,我们还研究发现细菌基因组序列的CG子集频谱的分离度和G+C含量呈负相关,与TA子集频谱的分离度呈正相关,而且无论是TA独立选择强度还是CG独立选择强度都与基因组大小有明显相关关系,验证了CG二核苷与CG独立选择强度的相关关系随着亲缘关系越近,相关性越好这一猜想。最后我们取极高CG独立选择强度(31种)和极高TA独立选择强度(30种)的极端细菌对它们的生化特性进行调查,发现高CG独立选择强度低TA独立选择强度的细菌易侵染动物和真菌,而高TA独立选择强度低CG独立选择强度的细菌则易侵染植物,得出细菌易侵染进化模式相同的物种的结论,给出了细菌生存依赖关系的一种依据。我们的研究在原核生物细菌基因组中再次印证了基因组序列独立选择定律的物种普适性,同时对这61种细菌根据CG独立选择强度和TA独立选择强度相互抑制图中的物种聚集程度,分析聚集物种的亲缘关系,并与《伯杰氏细菌分类手册》相对照,发现在属及属以上的的水平非常符合,提供了一种分析细菌亲缘关系的新思路。
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