古菌、细菌和真核生物纤维素酶的整体进化关系

【目的】纤维素酶在生物燃料、食品、造纸、制药和纺织工业应用广泛。许多生物都能产生纤维素酶,因此纤维素酶的进化关系非常复杂;加上人类用工程手段不断改造纤维素酶,使得纤维素酶的进化关系更加复杂化。因此,本研究对纤维素酶的整体进化关系进行大规模的系统发育和统计分析。【方法】选取来自116种古菌、1744种细菌和556种真核生物的2416种纤维素酶进行系统进化分析。通过计算平均成对p距离反映每个分类组中的序列差异;然后将差异分为组内差异和组间差异,从数值上反映基因的垂直转移和水平转移;最后,通过进化树展示基因转移的趋势。【结果】来自不同门、纲、目、科和属的纤维素酶,其氨基酸序列的平均成对p距离差异很大。在各个系统分类中,纤维素酶的组间差异和组内差异亦存在很大不同。大规模的系统发育分析显示,大多数纤维素酶的进化经历了不同的路径和分岔,并形成相互交织在一起的群簇。【结论】本研究从统计分析和系统发育的角度提供纤维素酶的整体进化关系,不仅包括纤维素酶基因的垂直遗传和水平转移,还包括多时间和多种属进化,展示了纤维素酶进化的全貌。统计分析不仅丰富系统发育的分析结果,还为利用生物技术设计所需要的纤维素酶提供补充信息。     

口腔碘泡虫宿主新纪录及种群分化研究

【目的】研究口腔碘泡虫(Myxobolus oralis)宿主新记录及种群分化。【方法】基于形态特征、18Sr DNA序列相似度、遗传距离、变异位点、系统发育以及18Sr RNA序列V4区二级结构的预测,对口腔碘泡虫江西种群和湖北种群进行了比较分析。【结果】口腔碘泡虫江西种群与湖北种群形态学特征基本一致;两种群18Sr DNA序列相似度为99%,变异位点数为6个,遗传距离为0.003,18Sr RNA序列V4区二级结构无差异;口腔碘泡虫湖北种群先于江西种群分化出来。【结论】口腔碘泡虫与宿主可能并未经历协同进化的自然历史 过 程;口 腔 碘 泡 虫 可 能 先 寄 生 于 异 育 银 鲫(Carassius auratus gibelio),然后少数个体偶然发生宿主转移事件而进入鲫(Carassius auratus auratus)体内并在长期的进化中逐渐适应这种新的寄生关系,最终形成新的种群或亚种。
     

口腔碘泡虫宿主新纪录及种群分化研究

【目的】研究口腔碘泡虫(Myxobolus oralis)宿主新记录及种群分化。【方法】基于形态特征、18S r DNA序列相似度、遗传距离、变异位点、系统发育以及18S rRNA序列V4区二级结构的预测,对口腔碘泡虫江西种群和湖北种群进行了比较分析。【结果】口腔碘泡虫江西种群与湖北种群形态学特征基本一致;两种群18S r DNA序列相似度为99%,变异位点数为6个,遗传距离为0.003,18S rRNA序列V4区二级结构无差异;口腔碘泡虫湖北种群先于江西种群分化出来。【结论】口腔碘泡虫与宿主可能并未经历协同进化的自然历史过程;口腔碘泡虫可能先寄生于异育银鲫(Carassius auratus gibelio),然后少数个体偶然发生宿主转移事件而进入鲫(Carassius auratus auratus)体内并在长期的进化中逐渐适应这种新的寄生关系,最终形成新的种群或亚种。     

葱蝇防御素基因的鉴定及针刺对基因表达的影响

【目的】分析葱蝇(Deliaantiqua)防御素基因家族的序列特征、分子进化和基因表达模式,了解防御素基因在滞育期的免疫应答特征。【方法】利用生物信息学方法,从转录组数据库中搜索防御素基因家族的序列,并进行基因鉴定、系统发育、选择压力及针刺刺激对基因表达的影响分析。【结果】共鉴定出3个防御素前体序列及由此形成的40个氨基酸残基组成的成熟肽Da Df1e ,Da Df2e 和 Da Df3e ,理论分子量分别为4.09,4.124.09k Da;等电点分别为8.71,8.69和8.35;它们具有昆虫防御素的典型的保守结构域,有3对分子内二硫键,均为外分泌型、稳定多肽。系统发育分析显示葱蝇防御素成熟肽Dadef1与新陆原伏蝇(Protophormiaterraenovae)、丝光绿蝇(Luciliasericata)和家蝇(Muscadomestica)防御素亲缘关系最近并聚为一枝,再与 Dadef2和 Dadef3聚为一枝。基因表达分析表明针刺能明显影响葱蝇防御素基因的表达。【结论】葱蝇防御素基因家族序列保守性高,具有典型的家族特征;它们的表达模式在冬滞育和非滞育蛹的不同发育时期存在明显差异,说明葱蝇冬滞育蛹和非滞育蛹的免疫应答存在差异。研究结果为进一步研究昆虫防御素类抗菌肽的结构特征、进化以及滞育条件下免疫活动提供理论基础。
     

葱蝇防御素基因的鉴定及针刺对基因表达的影响

【目的】分析葱蝇(Delia antiqua)防御素基因家族的序列特征、分子进化和基因表达模式,了解防御素基因在滞育期的免疫应答特征。【方法】利用生物信息学方法,从转录组数据库中搜索防御素基因家族的序列,并进行基因鉴定、系统发育、选择压力及针刺刺激对基因表达的影响分析。【结果】共鉴定出3个防御素前体序列及由此形成的40个氨基酸残基组成的成熟肽DaDef1,DaDef2和DaDef3,理论分子量分别为4.09,4.12 4.09kDa;等电点分别为8.71,8.69和8.35;它们具有昆虫防御素的典型的保守结构域,有3对分子内二硫键,均为外分泌型、稳定多肽。系统发育分析显示葱蝇防御素成熟肽Dadef1与新陆原伏蝇(Protophormia terraenovae)、丝光绿蝇(Lucilia sericata)和家蝇(Musca domestica)防御素亲缘关系最近并聚为一枝,再与Dadef2和Dadef3聚为一枝。基因表达分析表明针刺能明显影响葱蝇防御素基因的表达。【结论】葱蝇防御素基因家族序列保守性高,具有典型的家族特征;它们的表达模式在冬滞育和非滞育蛹的不同发育时期存在明显差异,说明葱蝇冬滞育蛹和非滞育蛹的免疫应答存在差异。研究结果为进一步研究昆虫防御素类抗菌肽的结构特征、进化以及滞育条件下免疫活动提供理论基础。     

大熊猫与北极熊基因组中V1R基因的分布与序列分析

【目的】对大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)和北极熊(Ursus maritimus)的犁鼻器受体基因V1R进行筛选和生物信息学分析。【方法】用已报道过的小鼠(Mus musculus)和大鼠(Ruttus norvegicus)全长V1R基因作为查询序列,分别检索大熊猫和北极熊基因组序列,并将得到的大熊猫和北极熊V1R基因序列与从NCBI下载已报道的狗(Canis lupus)、大鼠、小鼠和猫(Felis catus)的V1R基因序列一起用邻接法重建系统发育关系(Bootstrap值设为1 000)。【结果】大熊猫基因组中共有72个V1R基因,其中13个V1R基因序列包含完整的开放阅读框架;北极熊基因组中有24个V1R基因;大熊猫和北极熊V1R基因在整个基因组上分布并不集中,从系统发育树上看,不同物种之间V1R基因有很大分化。【结论】不同的物种之间的V1R基因存在一定的分化,大熊猫和北极熊在进化过程中均存在V1R基因的大量丢失情况。     

涉案偶蹄目动物DNA条形码构建

【目的】利用线粒体DNA条形码标记鉴定涉案偶蹄目动物,为解决偶蹄目动物残体、制品的鉴定难题提供技术参考。【方法】对16个偶蹄目动物物种共67份样本,采用试剂盒提取DNA,扩增、测定物种的线粒体DNA的COI基因、Cyt b基因片段;在GenBank上Blast搜索进行同源性分析;利用MEGA 7.0软件分别比较这两个基因片段种内和种间遗传距离,构建系统发育树。【结果】在同源性分析中,西伯利亚狍(Capreolus pygargus)的Cyt b基因片段与GenBank中西伯利亚狍、欧洲狍(Capreolus capreolus)基因序列的同源性均为99.64%~99.82%,该片段不能区分西伯利亚狍与欧洲狍这两个近缘种。其余测序结果与数据库中参考序列一致且相似度较高。对于COI片段,种内遗传距离为0~1.4%,种间遗传距离为1.8%~18.8%。对于Cyt b基因片段种内遗传距离为0~0.5%,种间遗传距离为4.0%~15.8%。两个片段的种内遗传差异均小于种间遗传差异,存在较为明显的条形码间隔。COI和Cyt b基因片段的系统发育树中,同物种的不同个体均能形成具有较高支持度的单分支;不同物种之间界限清晰,每个物种的所有个体均能够形成具有较高支持度的单分支。【结论】基于COI和Cyt b基因片段构建的DNA条形码均可用于对涉案偶蹄目动物的物种鉴定。在物种鉴定中,可采用两个片段联合使用的方式,尤其是对于近缘种的鉴定,以降低错误风险。     

戴曼特角形虫中国新纪录及不同地理株系的比较

【目的】研究戴曼特角形虫(Ceratomyxa diamanti)不同地理分布及宿主种类的遗传分化。【方法】基于形态特征以及18SrDNA的序列相似度、遗传距离、变异位点和系统发育,对戴曼特角形虫中国株系和澳大利亚株系进行了比较分析。【结果】戴曼特角形虫中国株系与澳大利亚株系孢子形态略有差异,18SrDNA序列相似度为99.3%～99.6%,遗传距离为0.003～0.007。戴曼特角形虫中国株系与澳大利亚株系混合聚枝,并未形成地理种群特有的单系,也并未依据宿主种类而聚枝。戴曼特角形虫中国株系与澳大利亚株系之间存在4个关键变异位点,该位点能够对这两大地理株系进行识别。【结论】不同地理分布及宿主种类的戴曼特角形虫在形态和遗传上已有细微分化,但在系统发育上并未形成与宿主种类及地理分布相关的特有的遗传分化;戴曼特角形虫中国株系和澳大利亚株系在进化上可能具有一定的独立性。     

大熊猫与北极熊基因组中V1R基因的分布与序列分析

【目的】对大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)和北极熊(Ursusmaritimus)的犁鼻器受体基因V1R 进行筛选和生物信息学分析。【方法】用已报道过的小鼠(Mus musculus)和大鼠(Ruttus norvegicus)全长V1R 基因作为查询序列,分别检索大熊猫和北极熊基因组序列,并将得到的大熊猫和北极熊V1R 基因序列与从NCBI下载已报道的狗(Canis lupus)、大鼠、小鼠和猫(Felis catus)的V1R 基因序列一起用邻接法重建系统发育关系(Bootstrap值设为1000)。【结果】大熊猫基因组中共有72个V1R 基因,其中13个V1R 基因序列包含完整的开放阅读框架;北极熊基因组中有24个V1R 基因;大熊猫和北极熊V1R 基因在整个基因组上分布并不集中,从系统发育树上看,不同物种之间V1R 基因有很大分化。【结论】不同的物种之间的V1R 基因存在一定的分化,大熊猫和北极熊在进化过程中均存在V1R 基因的大量丢失情况。
     

基于18S rDNA、rbcL和atpB序列的轮藻科植物的系统发育研究

为找到适宜用于轮藻科植物系统发育研究的分子片段,对本研究所选轮藻进行18S rDNA、rbcL、atpB及18S rDNA-rbcL-atpB三基因联合序列的多样性分析,并通过构建系统进化树的方法,开展系统发育研究.结果表明,18S rDNA序列较适宜用于研究轮藻科下两个族和各属间的分类问题,但进一步对属内轮藻进行分类需要借助变异程度更高的序列;rbcL、atpB序列变异程度高于18S rDNA序列,但两者不适宜单独用于轮藻科植物的系统发育研究;三基因联合序列的种间、种内遗传距离有一定差异,种间遗传距离(0.002～0.097)大于种内遗传距离(0～0.001),且所得进化树的拓扑结构与传统形态学分类结构一致,属内轮藻分类不再混乱,进化树呈现良好的拓扑结构.综上所述,18S rDNA-rbcL-atpB三基因联合分析后可将形态近似的轮藻分开,解决本研究选取的轮藻科植物的分类问题.     

中华按蚊AsBe3基因的克隆、生物信息学分析与分子对接

【目的】克隆中华按蚊(Anopheles sinensis)羧酸酯酶基因AsBe3,并对该基因进行生物信息学和分子对接分析。【方法】克隆AsBe3基因编码序列,并在AsBe3蛋白的理化性质、系统发生关系、二级结构、多重序列比对、系统发育关系等方面对进行了预测和分析;通过同源建模和分子对接,分析AsBe3蛋白与氟氯氰菊酯形成稳定复合物的关键氨基酸残基。【结果】通过克隆得到了编码AsBe3基因的序列,大小为1 302bp。在系统发育关系方面,AsBe3蛋白在8种不同物种中具有很高的保守性。AsBe3蛋白是疏水性蛋白,相对分子质量为48.45kDa,无信号肽和跨膜区。氟氯氰菊酯与AsBe3蛋白的结合自由能约为-42.3kJ·mol~(-1),理论上AsBe3蛋白能够代谢氟氯氰菊酯。【结论】研究结果为后续对AsBe3基因进行生物学功能研究奠定了基础,为下一步开展AsBe3蛋白代谢研究提供了基础数据,也为阐释羧酸酯酶代谢抗性的分子机制提供了理论依据。     

意大利蜜蜂AmCht11基因的克隆鉴定和发育时期表达分析

【目的】克隆鉴定和定量PCR组织表达分析意大利蜜蜂(Apis mellifera)几丁质酶AmCht11基因。【方法】克隆测序鉴定AmCht11基因序列,通过多重序列比对分析该基因编码的氨基酸序列特征和结构域组成;在线预测AmCht11蛋白的二级结构、三级结构以及相互作用靶蛋白,构建系统进化树分析该蛋白在几丁质酶家族中的分类和进化关系;实时定量PCR分析AmCht11基因的组织表达特征。【结果】AmCht11基因cDNA序列全长1404bp,编码468个氨基酸;预测AmCht11蛋白质相对分子质量为53.5kDa,等电点为7.21。多重序列比对和系统进化分析表明,AmCht11蛋白为几丁质酶GH18家族Group-Ⅷ亚家族成员,该蛋白的氨基酸序列N-端含有跨膜域,具典型的几丁质酶催化结构域,无结合结构域,也不具信号肽。进一步实时定量PCR分析表明,AmCht11基因表达量在意大利蜜蜂幼虫发育第2至第5日龄无明显波动,至幼虫后期第6日龄表达量明显上调。【结论】推测AmCht11基因与意大利蜜蜂幼虫发育后期的蜕皮有关。
     

意大利蜜蜂AmCht11基因的克隆鉴定和发育时期表达分析

【目的】克隆鉴定和定量PCR分析不同发育时期意大利蜜蜂(Apis mellifera)几丁质酶AmCht11基因。【方法】克隆测序鉴定AmCht11基因序列,通过多重序列比对分析该基因编码的氨基酸序列特征和结构域组成;在线预测AmCht11蛋白的二级结构、三级结构以及相互作用靶蛋白,构建系统进化树分析该蛋白在几丁质酶家族中的分类和进化关系;实时定量PCR分析AmCht11基因的组织表达特征。【结果】AmCht11基因c DNA序列全长1 404 bp,编码468个氨基酸;预测AmCht11蛋白质相对分子质量为53.5 k Da,等电点为7.21。多重序列比对和系统进化分析表明,AmCht11蛋白为几丁质酶GH18家族Group-Ⅷ亚家族成员,该蛋白的氨基酸序列N-端含有跨膜域,具典型的几丁质酶催化结构域,无结合结构域,也不具信号肽。进一步实时定量PCR分析表明,AmCht11基因表达量在意大利蜜蜂幼虫发育第2至第5日龄无明显波动,至幼虫后期第6日龄表达量明显上调。【结论】推测AmCht11基因与意大利蜜蜂幼虫发育后期的蜕皮有关。     

中国东南沿海青蟹属不同种类的mtDNA COI基因序列分析及其系统发育

对采自中国东南沿海青蟹属的4种青蟹锯缘青蟹Scylla serrata(Forskal,1775),紫螯青蟹S.tranquebarica(Fabricius,1798),榄绿青蟹S.olivacea(Herbst,1796),拟穴青蟹S.paramamosain(Estampador,1949)的线粒体COI基因片段进行了测定,分析研究了其种间遗传差异及系统发育关系.研究结果显示:4种青蟹在COI基因片段上存在差异,种间序列差异远大于种内差异.青蟹属在我国的优势种与GenBank上的S.paramamosain的遗传距离为0.001 3,与S.serrata的遗传距离为0.121 3.序列特征、遗传距离和系统进化等分析结果表明中国青蟹属的优势种为拟穴青蟹S.paramamosain.     

10种昆虫过氧化氢酶基因的全基因组鉴定与特征预测

【目的】在全基因组水平上鉴定10种具有代表性昆虫的过氧化氢酶(CAT)基因,并对鉴定所得CAT基因的基本特征和系统发育关系分别进行预测和分析。【方法】在NCBI数据库中下载CAT氨基酸序列作为询问序列,通过本地Blast方法在10种昆虫全基因组水平搜索和鉴定CAT基因并命名。通过生物信息学方法预测10种昆虫CAT家族基因的特征、氨基酸同源序列一致率、保守结构域等。通过MEGA-X软件用最大似然法推断10种昆虫的CAT基因的系统发育。【结果】共鉴定得到23个CAT基因,内华达古白蚁(Zootermopsis nevadensis)、东亚飞蝗(Locusta migratoria)、人虱(Pediculus humanus)、苜蓿蓟马(Frankliniella occidentalis)、茶翅蝽(Halyomorpha halys)、赤拟谷盗(Tribolium castaneum)、黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)、冈比亚按蚊(Anopheles gambiae)、家蚕(Bombyx mori)和意大利蜜蜂(Apis mellifera)基因组上分别有3,1,1,1,4,3,2,1,6和1个CAT基因,均具有全长的转录组序列,编码406～553个氨基酸,氨基酸分子量为46.0～63.7kDa,等电点为5.21～9.19。鉴定得到的CAT基因共有122个外显子,99个内含子,且外显子与内含子分布模式在物种间差异较大而种内的CAT基因结构相似。有7个CAT基因编码有信号肽,信号肽包含17～22个氨基酸残基。所有CAT基因编码的氨基酸序列的N端具有1个由17个氨基酸组成的CAT近端活性区域,而C端由9个氨基酸组成的CAT血红素配体区域所组成;其中家蚕的BmCat2基因中单独含有1个细菌胞外溶质结合区域。10种昆虫的CAT1基因具有1∶1的直系同源关系,家蚕出现特异性扩增独立形成支系,与CAT1支系互为姐妹群。【结论】研究结果提供了10个代表性昆虫CAT基因的基础信息,为进一步开展该基因的功能研究奠定了基础。     

基于随机聚类方法建模的序列分析

大数据下的系统发育估计是一个组合优化问题,在有限计算时间内,现有算法很难为大量序列数据的分析提供最优解.基于前人启发式算法,提出了一种系统发育树随机聚类建树方法,可在较短时间内为系统发育过程产生的大规模序列数据提供所有具有进化意义的解及最优解,以揭示发育过程中的序列进化关系.实验结果表明,该随机聚类方法是行之有效的,对生物计算及系统发育相关领域研究具有积极意义.     

鹅耳枥属树种叶绿体基因组结构及变异分析

【目的】了解鹅耳枥属(Carpinus)树种叶绿体基因组基因组成及结构特征,为鹅耳枥属的系统发育及基因组进化研究提供参考。【方法】获取鹅耳枥属16个树种的叶绿体基因组,对其进行基因注释,利用生物信息学方法比较叶绿体基因组间的结构特征与变异程度,并以麻栎(Quercus acutissima)为外类群分析了鹅耳枥属的系统发育关系。【结果】鹅耳枥属16个树种的叶绿体基因组均为双链环形结构,均包含1个长单拷贝区(LSC)、1个短单拷贝区(SSC)以及2个反向重复区(IRa和IRb)。叶绿体基因组大小差异较小,最大差异仅1 902 bp。基因排列顺序基本一致,各基因数量相对保守,其中核糖体RNA(rRNA)数量最为保守,所有树种均为8个。此外,鹅耳枥属树种叶绿体基因组在序列长度、基因组成以及GC含量等方面相对保守,但4个边界存在明显的多样性。鹅耳枥属叶绿体基因组中非基因编码区存在较大差异,变异程度较高,而基因编码区差异较小,具有较高的保守性。在叶绿体基因组4个部分中,LSC区的变异程度最高,IRa区的变异程度最低。鹅耳枥属叶绿体基因组中psbA、rps16、atpA、rps19、ndhF、ndhI以及ycf1等基因的编码区存在显著差异。此外,ycf3-trnS, trnS-rps4, trnH-psbA, psbZ-trnfM, matK-rps16, rps16-trnQ, trnQ-psbK, ccsA-ndhD, accD-psaI, ndhC-trnV, trnT-trnL, trnF-ndhJ, atpB-rbcL, trnT-psbD, trnE-trnT, trnD-trnY, rpl32-trnl等基因间隔区的非编码区差异较大。绝大部分基因的编码区长度十分保守,含内含子的蛋白编码基因长度变异主要来源于内含子长度或编码区长度。系统发育分析结果将鹅耳枥属划分为鹅耳枥组与千金榆组,此外由于地理隔离导致欧洲鹅耳枥(C. betulus)、美洲鹅耳枥(C. caroliniana)与鹅耳枥属其他树种表现出较远的亲缘关系。【结论】鹅耳枥属树种叶绿体基因组具有较高的保守性,其基因排列顺序基本一致,未检测到大规模的倒位或基因重排,但其IR区与单拷贝区(SC)边界存在明显的多样性。基于叶绿体基因组构建的系统发育树在一定程度上可以揭示鹅耳枥属树种的系统发育关系。     

基于2种核蛋白编码基因序列研究16种对虾系统发育关系

为了研究对虾科(Penaeidae)对虾的系统发育关系,基于2种细胞核蛋白编码基因钾钠腺苷三磷酸α亚基(NaK)基因和磷酸烯醇丙酮酸激酶(PEPCK)基因,使用邻接(neighbor-jointing,NJ)法构建了9属16种对虾的系统发育树.研究结果有力地支持了1983年Burkenroad提出的三群体分类系统,除新对虾属处于进化树最先起源的位置外,系统发育树形成3个进化枝,其一为对虾属、明对虾属、滨对虾属、囊对虾属和沟对虾属,其二为仿对虾属和鹰爪虾属,其三为赤虾属,分别对应为Penaeini、Trachypenaeini和Parapenaeini 3个群体.基于核基因的系统发育树很好地解决了线粒体基因构建的系统发育树中对虾属和明对虾属进化关系不明确的问题,赤虾属的进化关系也很好地符合了形态学分类结果,因此可以作为对虾系统进化研究的重要补充手段与其他的研究方法联合应用.     

细菌水平基因转移所面临的现实与挑战

水平基因转移对细菌遗传物质进化的影响是存在争议的.本文着重从水平基因转移的进化思想和水平基因转移在进化方面的重要性,特别是在原核细胞进化方面作一综述.首先,阐述水平基因转移在细菌物种进化中的进程;其次,阐述水平基因在不同的进化阶段的范围或广度,此外,讨论重建（或改造）旧的系统发育树关系在面临水平基因转移的可行性;最后,讨论水平基因转移是如何适应新的达尔文进化论学说的,而且需要一种新的进化论去诠释细菌物种的进化机制,水平基因转移就是其中一个很重要的原因.     

基于RLCKVⅡ基因序列的蜘蛛抱蛋属系统发育分析

蜘蛛抱蛋属(Aspidistra Ker-Gawl.)是单子叶植物中同一属内物种多样性最为丰富的类群之一.由于缺乏分子序列方面的研究资料,该属种间系统发育关系一直都不清楚.本研究对20种具有代表性的蜘蛛抱蛋属植物的RLCKVⅡ基因进行了测序分析.结果表明,采用分子系统学证据所构建的该属系统发育关系不支持先前基于形态证据所建立的分类系统;蜘蛛抱蛋属植物复杂的平行进化关系很可能是该属分化早期频繁种间杂交的结果.RLCKVⅡ基因适用于禾本科、棕榈科和天门冬科等类群,可作为研究单子叶植物系统发育关系的备选基因.