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四种蝗虫线粒体基因组测序及系统发生分析

作　者: 曾慧花
导　师: 郑哲民
学　校: 陕西师范大学
专　业: 动物学
关键词: 直翅目 斑腿蝗科 网翅蝗科 线粒体基因组 系统发生分析
分类号: Q969.265.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


直翅目是昆虫包括两大类：一类为螽亚目,以螽斯和蟋蟀为代表,其触角长度长于身体的长角型昆虫,另一类为蝗亚目,以蝗虫和蚱为代表,其触角长度短于身体的短角型昆虫。本研究选择了四种蝗虫进行了全线粒体测序,其中蹦蝗属和小蹦蝗属各一种,分别为贵州蹦蝗和峨眉小蹦蝗,其中根据形态从蹦蝗属中分出的小蹦蝗属能否成立是有争议的,太白秦岭蝗是中国特有属秦岭蝗属代表种类,仅分布于高寒的秦岭山脉。青海屹蝗是网翅蝗科一短翅型物种,在NCBI上提交的5种网翅蝗科物种中只有一种是短翅类型。本研究采用长距离PCR(聚合酶链式反应)结合二次嵌套PCR技术对蝗总科的4种蝗虫的全线粒体基因组进行了测定,拼接和注释,对四种斑腿蝗科蝗虫峨眉小蹦蝗(Pedopodisma emiensis(Yin)),贵州蹦蝗(Sinopodisma guizhouensis Zheng)和太白秦岭蝗(Qinlinggacris taibiensis Yin et Chou)外,还结合了本实验室所测而未发表的霍山蹦蝗(Sinopodisma houshana)进行了比较基因组分析,对四种网翅蝗科蝗虫青海屹蝗Oreoptygonotus chinghaiensis之外,还结合了NCBI下载的黑膝异爪蝗Euchorthippus fusigeniculatus,中华雏蝗Chorthippus chinensis Tarbinsky和隆额网翅蝗Arcyptera coreana Shiraki的线粒体基因组对网翅蝗科线粒体基因组的一些特性进行了比较基因组分析,并结合NCBI中已收录的和本研究小组其他成员所测定的未公开的共计54种直翅目昆虫线粒体基因组全序列,采用PCGs、 rRNA和全线粒体37基因联合三种数据集用最大简约法,最大似然法和贝叶斯推论法重新构建了直翅目系统树。主要结论如下：1.四种蝗总科昆虫分别为峨眉小蹦蝗(Pedopodisma emiensis(Yin))、贵州蹦蝗(Sinopodisma guizhouensis Zheng)、太白秦岭蝗(Qinlingacris taibaiensis Yin et Chou)和青海屹蝗(Oreoptygonotus chinghaiensis(Chnget Hang))。线粒体基因组全序列总长度分别为16014bp、16013bp.15631bp和15620bp。四种蝗虫均编码线粒体基因组中典型的37个基因,这37个基因分别为：13个蛋白编码基因,2个核糖体RNA基因和22个转运RNA基因。四种蝗虫线粒体基因排列次序和基因的转录方向同已经发表的蝗亚目昆虫一致。2.四种蝗虫线粒体基因组碱基组成均具AT偏向性,其中峨眉小蹦蝗(Pedopodisma emiensis(Yin))AT含量为76.5%,贵州蹦蝗(Sinopodisma guizhouensis Zheng)AT含量为76.4%,太白秦岭蝗(Qinlingacris taibaiensis Yin et Chou) AT含量为76.3%,青海屹蝗(Oreoptygonotus chinghaiensis(Cheng et Hang)) AT含量为75.2%。3.本研究所测定的线粒体基因组的A+T富集区均位于srRNA和trnI之间,长度和A+T含量分别为：峨眉小蹦蝗(Pedopodisma emiensis(Yin))为1123bp和85.8%,贵州蹦蝗(Sinopodisma guizhouensis Zheng)为1127bp和84.8%,太白秦岭蝗(Qinlingacris taibaiensis Yin et Chou)为778bp和88.7%,青海屹蝗(Oreoptygonotus chinghaiensis(Cheng et Hang))为711bp和82.1%。相对于4个主要部分(PCGs, rRNAs, tRNAs, A+T富集区),A+T富集区的AT含量是最高的区域。4.四种蝗虫各自均具有22个转运RNA基因,核酸保守性具链间偏向性,分布于J链的所有tRNAs比位于N链的所有tRNAs的AT%略偏高。tRNASer(AGN)的DHU臂都存在缺失的现象,其他21个转运RNA均能形成典型的三叶草二级结构。绝大多数tRNA二级结构存在一定数目的错配。在tRNA的二级结构中氨基酸接受臂和反密码子环长度较保守,TψC臂和DHU臂的变异最大。5.核糖体二级结构预测显示,四种蝗虫16s核糖体基因均不能形成H1臂。6.斑腿蝗科四个物种线粒体基因组的13个蛋白编码基因中,有11种蛋白编码基因数目完全一致,仅有2种不一致,为cytb和nad3蛋白编码基因。7.4种斑腿蝗氨基酸序列变异率中,cytb, cox1, cox2, cox3的氨基酸变异率最低(其中cytb的变异率为最低,AVE=0.049), nadl, nad4, nad4L和nad5的氨基酸变异率中等,atp8, nad3, nad2和nad6的氨基酸变异率偏高(其中nad3的变异率为最高,AVE=0.153)。8.4种斑腿蝗全线粒体mtDNA之间P-距离在贵州蹦蝗-霍山蹦蝗最小,为0.057, PCGs之间P-距离和mtDNA有相似的趋势,也是贵州蹦蝗-霍山蹦蝗最小,为0.056,说明两种蹦蝗在全线粒体mtDNA和PCGs之间差异很小。9.4种斑腿蝗J-链的T含量均低于N-链,而A和C的含量均为J-链高于N-链。N-链上蛋白质编码基因第3位点显示了极低的G含量,而具有极高的T含量。10.对PCGs、 rRNA和全线粒体37基因联合三种数据采用最大简约法,最大似然法和贝叶斯推论法重新构建的直翅目系统树,除基于rRNA用BI法所建树之外霍山蹦蝗和贵州蹦蝗均能优先聚成一支,再与峨眉小蹦蝗聚合,并结合形态学观察认为小蹦蝗属是成立的。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章 前言  10-20
  1.1 线粒体结构的基本特征  10-13
    1.1.1 核糖体RNA  10-11
    1.1.2 转运RNA  11
    1.1.3 蛋白编码基因  11-12
    1.1.4 非编码区  12-13
  1.2 线粒体DNA在系统发生中的应用  13-14
  1.3 本研究所测四种蝗虫介绍  14-18
    1.3.1 贵州蹦蝗  16-17
    1.3.2 峨眉小蹦蝗  17
    1.3.3 太白秦岭蝗  17-18
    1.3.4 青海屹蝗  18
  1.4 本研究的目的意义  18-20
第2章 材料与方法  20-30
  2.1 实验材料  20
    2.1.1 实验所用材料的采集与物种种名鉴定  20
  2.2 实验方法  20-23
    2.2.1 线粒体基因组全序列测定  20-23
  2.3 基于线粒体基因的直翅目昆虫系统发生关系分析  23-30
    2.3.1 数据来源  23-25
    2.3.2 PAUP~*软件及使用  25-26
    2.3.3 分子系统发生学的方法论  26-27
    2.3.4 系统发生分析的策略与步骤  27-30
第3章 四种蝗虫全线粒体基因序列测定  30-70
  3.1 峨眉小蹦蝗线粒体基因组全序列  30-40
    3.1.1 线粒体基因组的基本组成特征  30-32
    3.1.2 蛋白质编码基因  32-34
    3.1.3 tRNA基因  34-36
    3.1.4 rRNA基因  36
    3.1.5 A+T丰富区  36-40
  3.2 贵州蹦蝗线粒体基因组全序列  40-50
    3.2.1 贵州蹦蝗线粒体基因组的基本组成特征  40-42
    3.2.2 蛋白质编码基因  42-44
    3.2.3 tRNA基因  44-46
    3.2.4 rRNA基因  46
    3.2.5 A+T丰富区  46-50
  3.3 太白秦岭蝗线粒体基因组全序列  50-60
    3.3.1 太白秦岭蝗线粒体基因组的基本组成特征  50-52
    3.3.2 蛋白质编码基因  52-53
    3.3.3 tRNA基因  53-56
    3.3.4 rRNA基因  56
    3.3.5 A+T丰富区  56-60
  3.4 青海屹蝗线粒体基因组全序列  60-70
    3.4.1 青海屹线粒体基因组的基本组成特征  60-62
    3.4.2 蛋白质编码基因  62-64
    3.4.3 tRNA基因  64-66
    3.4.4 rRNA基因  66
    3.4.5 A+T丰富区  66-70
第4章 斑腿蝗科线粒体基因组比较研究  70-78
  4.1 13个线粒体蛋白基因的长度变异及序列分化  70-74
    4.1.1 长度变异  70-71
    4.1.2 核苷酸和氨基酸序列变异  71-73
    4.1.3 遗传P-距离分析  73-74
  4.2 线粒体蛋白基因碱基组成的链间偏向性  74-75
  4.3 全线粒体基因组分区域的碱基组成比较  75-77
    4.3.1 A+T含量(AT%)  75-76
    4.3.2 AT-偏斜和GC-偏斜  76-77
  4.4 线粒体各蛋白基因的碱基组成  77
    4.4.1 A+T含量(AT%)  77
  4.5 A+T丰富区的比较  77-78
第5章 网翅蝗科线粒体基因组比较研究  78-90
  5.1 13个线粒体蛋白基因的长度变异及序列分化  78-84
    5.1.1 长度变异  78-79
    5.1.2 核苷酸和氨基酸序列变异  79-82
    5.1.3 遗传P-距离分析  82-84
  5.2 线粒体蛋白基因碱基组成的链间偏向性  84-87
  5.3 全线粒体基因组分区域的碱基组成比较  87-88
    5.3.1 A+T含量(AT%)  87
    5.3.2 AT-偏斜和GC-偏斜  87-88
  5.4 线粒体各蛋白基因的碱基组成  88-89
    5.4.1 A+T含量(AT%)  88-89
  5.5 A+T丰富区的比较  89-90
第6章 直翅目系统发生重建  90-110
  6.1 数据准备  90-91
  6.2 建树  91-95
    6.2.1 贝叶斯系统发育推论法  91-92
    6.2.2 简约法建树(Maximum Parsimony Method,MP)  92-93
    6.2.3 最大似然法建树(Maximum Likelihood,ML)  93-95
  6.3 建树结果  95-110
    6.3.1 13个PCG基因联合数据集构建的系统发育树  95-101
    6.3.2 2个rRNA基因联合数据集构建的系统发育树  101-107
    6.3.3 全线粒体基因组37个基因联合数据集构建的系统发育树  107-110
总结  110-114
参考文献  114-126
致谢  126-128
攻读博士学位期间研究成果  128-129

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中图分类: > 生物科学 > 昆虫学 > 昆虫分类学 > 有翅亚纲 > 直翅目 > 蝗总科
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