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单殖吸虫线粒体基因组进化生物学研究

张娟  
【摘要】:单殖吸虫隶属于扁形动物门、单殖吸虫纲,历来是分类学和系统发育学研究的重要类群。迄今为止,不论是来自形态学还是分子生物学方面的证据,对于单殖吸虫的进化起源问题始终未达成一致意见。后生动物线粒体基因组具有长度小、进化速率快、结构紧凑及严格母系遗传等特点,已被广泛应用于进化生物学和分子系统学研究。本论文首次测定并描述了单殖吸虫9种代表物种的线粒体基因组,极大地丰富了单殖吸虫线粒体基因组数据,在此基础上结合已有的单殖吸虫及其它寄生扁形动物的线粒体基因组序列,对单殖吸虫线粒体基因组结构特点进行了分析,构建了寄生扁形动物的系统发育关系,探讨了单殖吸虫的进化及寄生形式的起源问题,并基于系统发育分析结果,对单殖吸虫线粒体基因组的演化模式进行了研究。主要结果如下: 1.采用长距离PCR方法首次扩增了单殖吸虫9种代表物种的线粒体基因组全序列,并对其进行了注释,结合已有的单殖吸虫线粒体基因组数据,分别从基因组的基本组成特征、蛋白编码基因、tRNA和rRNA基因、基因间隔区与基因重叠区以及基因排列共五个方面对单殖吸虫的线粒体基因组进行比较分析。结果显示,单殖吸虫线粒体基因组的基本组成特点表现出较好的一致性,同时也发现了许多独特之处,其主要表现在:单殖吸虫线粒体各蛋白编码基因之间表现出不同的变异程度,其中cox1基因最保守,nad2基因变异最大,这一发现为今后选取何种基因片段开展群体系统学和分子分类研究奠定了基础。密码子的使用出现明显的偏好性,倾向于使用由U和A组成的密码子。在海猪鱼多唇虫的线粒体基因组中首次发现了trnI基因的异构体,且以串联重复的形式存在,推测其可能是由复制初始的滑链错配引起的。同样在Benedenia hoshinai的线粒体基因组中发现了trnR基因的异构体,其反密码子由通用的TCG变成ACG。主非编码区在单殖吸虫不同亚纲之间具有各自的特点,主要表现在重复序列的大小和重复次数的差异,推测其可用于推断高级阶元类群间的系统发育关系。nad4L和nad4基因的重叠在单殖吸虫中普遍存在,而在本尼登虫属的2个物种(B. hoshinai和B. seriolae)中则分别间隔116和208 bp,考虑与之亲缘关系较近的枚氏新本尼登虫的线粒体基因组中发现这2个基因是重叠的,由此推断,nad4和nad4L基因之间存在的基因间隔序列可能为本尼登虫属所特有。单殖吸虫线粒体基因的重排速率在不同的亚纲之间有所不同,其中寡钩亚纲和多盘亚纲的重排速率明显高于多钩亚纲。同时,基因排列的比较也包含了系统发育的信息,其中寡钩亚纲和多盘亚纲在不考虑基因重排热区(hot spot)的情况下表现出较一致的基因排列,而多钩亚纲则表现出不同于以上两者的基因排列。 2.利用线粒体基因序列对单殖吸虫的系统发育关系进行了研究。首次包含单殖吸虫三大类群代表物种探讨了单殖吸虫在寄生扁形动物中的系统发育位置及其起源问题。结果表明,吸虫(复殖吸虫和盾腹吸虫)和绦虫类具有更近的亲缘关系;单殖吸虫为并系起源而非单系起源。同时,表明多钩亚纲为并系起源,而寡钩亚纲为单系起源且与多盘亚纲互为姐妹群,并且后两者与吸虫类和绦虫类表现出更近的亲缘关系。基于所构建的系统发育关系,并结合多盘类单殖吸虫的特殊生活方式,推断寄生形式的起源是由外寄生进而转为内寄生的,同时实现了寄生宿主由水生脊椎动物向陆生脊椎动物的转变。 3.首次运用比较基因组学方法,并结合系统发育分析的结果,探讨了单殖吸虫线粒体基因组的进化模式。结果表明:1)多钩亚纲、寡钩亚纲和多盘亚纲线粒体基因组的AT含量发生与系统发育关系较一致的分化,而碱基组成偏向性仅在多钩亚纲的三代虫科出现较大分化;2)在单殖吸虫类和绦虫类的线粒体nad4L蛋白中发现的亮氨酸拉链结构发生几乎相同程度的变异,仅在多钩亚纲三代虫科的虫种发生了不同程度的变异;单殖吸虫类与吸虫类和绦虫类表现出不同的起始密码子使用偏好,在终止密码子的使用方面则表现出很好的一致性;多钩亚纲、寡钩亚纲和多盘亚纲在蛋白编码基因的密码子总数以及密码子的使用上发生不同程度的分化;单殖吸虫类各蛋白编码基因进化速率与整个寄生扁形动物表现出较好的一致性,可用于分子分类、群体遗传以及系统发育等方面的研究;3)多钩亚纲、寡钩亚纲和多盘亚纲线粒体tRNA基因的二级结构表现出不同的臂缺失规律,其中寡钩亚纲和多盘亚纲具有较大相似性;4)寡钩亚纲与吸虫类和绦虫类在线粒体主非编码区的结构特点上表现出较好的一致性,而多钩亚纲内部各类群之间则出现分化:本尼登虫属中nad4L和nad4基因之间不同于其他物种的重叠现象而出现基因间隔区;5)吸虫类和绦虫类与多钩类单殖吸虫表现出较一致的基因排列顺序,而与寡钩类和多盘类单殖吸虫差异较大。 综上所述,寡钩类和多盘类在线粒体基因组的演化模式上表现出较大的相似性,如线粒体基因排列、碱基含量以及密码子总数等,这同样也得到来自系统发育分析的支持,说明两者并没有因为寄生方式的不同而产生明显的分化。多钩类内部各类群之间则出现明显的分化,如三代虫科和分室科的种类分别表现出各自的进化特点(碱基含量、主非编码区结构特点以及基因重叠等),而来自系统发育分析的结果表明多钩类为并系起源。综上所述,本研究对于单殖吸虫的传统定义提出了质疑,即单殖吸虫可能并不代表一个自然分类群,其中寡钩类和多盘类可能更适合归为一类,而多钩类内部各类群的系统关系问题有待进一步研究证实。


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