盾纤亚纲纤毛虫的系统学及以钩刺斜管虫为模式的基因组进化研究

摘要

纤毛门(Ciliophora)隶属真核生物中的囊泡虫总门(Alveolata)，是一大类单源发生、结构高度特化、多样性极高的原生动物。其具有高度分化的细胞器、分司不同功能的两型核以及特有的接合生殖方式，作为重要的模式生物，在细胞生物学、遗传学以及真核生物的起源和进化等领域具有重要的研究价值。在过去的20年中，生物学领域中对以四膜虫为模式的细胞生物学-分子生物学的研究，成就了包括揭示核糖核酸的酶功能、端粒酶的发现及反式剪切等一系列重大发现。与之同时，作为纤毛虫学的一个重要分支，利用分子信息所开展的系统发育与进化研究在许多类群迄今仍处于探索、局部性阐释和片段资料的积累阶段，并且迄今所报道的大部分工作均是基于核糖体小亚基等单基因信息所完成的。 在过去的6年中，作者在国家自然科学基金重点项目等课题的资助下，围绕系统关系长期混乱的盾纤亚纲分子系统学及基因进化开展了以下的研究: 1.完成了对迄今分子信息残缺、亚纲内关系高度混乱和不明类群的系统进化关系的重建:盾纤类由于大部分类群均长期缺乏分子信息，目前国际间所通用的系统安排几乎完全依据于形态学信息。作者新测119条序列，涉及核糖体小亚基基因序列44条、转录间隔区ITS-5.8S基因序列39条、核糖体大亚基基因序列36条。其中，包括10个属的分子信息为国际间首次获得，填补了该类纤毛虫分子信息的部分空白。同时，作者利用多基因联合分析、二级结构分析、综合形态和细胞发生学等信息对盾纤类四个目的系统演化关系开展了多层面的分析与探讨，对其系统地位、亲缘关系及分类学上的混乱进行了厘定和澄清，主要成果包括: a)基于多基因分子信息首次对帆口目内部的系统关系做了调整和确认:系统分析拒绝传统分类系统中将著名的膜袋虫归入帆口目的划分;确认帆口科及其下的裂纱虫属为单源发生;确认鬃毛虫属为帆口目的成员，并且与阔口科(Eurystomatellidae)亲缘关系较近;支持前人对镰膜袋虫属的建立，并建议将其由膜袋科(Cyclidiidae)转移到梳纤科(Ctedoctematidae);原膜袋虫属和膜袋虫属均为非单源发生，不支持将原膜袋虫从膜袋虫属中分出;发袋虫属内种形成一高支持率的单源群，有可能代表一个新的科级阶元;基于形态和分子数据，建立一新组合Falcicyclidium plouneouri(Dragesco，1963)n.comb.; b)基于多基因信息分析了斜头目的系统关系:随着采样信息的增加，斜头目及其下的两个科，斜头科(Loxocephalidae)和映毛科(Cinetochilidae)，均为多源发生系;伪扁丝虫属和柔页虫属与无口亚纲(Astomatia)关系较近，而映毛虫属则与后口亚纲(Apostomatia)形成一单系群; c)获得了典型寄生生活而结构高度特化的触毛目部分代表阶元的多基因信息，并对其系统地位进行了基于多基因信息的分析，结果显示该类群聚入帆口目并与膜袋虫表现出较近的亲缘关系，挑战了传统分类学中所认定的该类群是一很好定义的目级阶元的观点; d)完成了对嗜污目内7科、11属的系统关系的调整和确认:证实了嗜污科(Philasteridae)和伪康纤科(Pseudocohnilembidae)均为单源发生的阶元;尾丝科(Uronematidae)、Orchitophryidae科以及其内的尾丝虫属和后阿脑虫属均非单系发生;原拟尾丝科内的Anophryoides haemophila、贪食迈阿密虫和三膜拟瞬膜虫应代表了一个独立的科级阶元;本研究支持将拟尾丝虫属与尾丝虫属视为同物异名，而长拟尾丝虫应该从拟尾丝虫属中移出;支持类嗜污虫属和嗜污虫属同属于嗜污科的划分;确认两个高度争议的种，Mesanophrys pugettensis和M.chesapeakensis均是蟹栖异阿脑虫的同物异名;证实Philasterides dicentrarchi是贪食迈阿密虫的同物异名;揭示蟹栖异阿脑虫和贪食迈阿密虫名下可能存在隐匿种。 2.在系统基因组学水平上对纤毛门主要类群开展了全景式的初探:由于迄今的纤毛虫系统发育分析仅包含特定类群中数量有限的代表种，而且大都基于单基因标记信息，因此其内部较深层次的系统进化关系在很大程度上依然未知。在本工作中，作者扩大了采样类群，从GenBank和最新完成的转录组数据中收集了囊括所有纤毛虫主要类群的537个阶元的核糖体小亚基基因序列，同时增加部分类群的核糖体大亚基基因序列及七个蛋白编码基因，首次在多基因分析基础上对整个纤毛门内的系统发生关系完成了探讨和廓清。此外，作者还同步开展了对全体样本的再采样，通过对比整体和子样本的结果进一步完成了采样样本及数据缺失对系统树构建影响的评估。 3.利用钩刺斜管虫为模式，完成了对其基因组进化的研究:纤毛虫独特的两型核结构使得其大核在形成过程中会发生基因组重排，包括染色体的断裂、序列的删除及基因的扩增等，但这一重组现象因类群的不同而异，而人们迄今对此过程和机制了解甚少。作者利用已完成转录组分析的钩刺斜管虫为材料，开展了对其基因乱序和不同基因家族的选择性拼接模式等进行了探讨和揭示。主要成果包括: a)对高通量转录组数据的分析，从中筛选出112个候选的选择性拼接基因家族，首次发现选择性拼接在该纤毛虫的基因家族中广泛存在且这些基因可能是该纤毛虫所特有的基因;比较讨论了其它真核生物中的类似过程，此工作为基因组结构对基因家族进化的影响给出了新观点和新诠释; b)首次测定钩刺斜管虫中三个选择性拼接基因家族，包含蛋白激酶域的蛋白(PKc)、组氨酸酸性磷酸酶蛋白(Hap)和利什曼溶蛋白家族(Lei)的大小核序列，发现选择性拼接比之前认为的更加复杂，且钩刺斜管虫的不同基因家族中具有不同的选择性拼接模式;分析选择性拼接可能是基因乱序进化过程的中间形式。本工作为纤毛虫物种形成的机制提供了新的理论依据，加深了对真核生物染色体重组的认识。

目录

声明

摘要

引言

1．盾纤亚纲纤毛虫及其系统学研究

2．纤毛虫基因组学研究

材料与方法

结果

第一篇 盾纤亚纲纤毛虫的系统学

第1章 基于多基因分子标记对帆口目和斜头目的系统学研究

第2章 基于多基因分子标记对触毛目和膜袋类的系统学研究

第3章 基于多基因分子标记对嗜污目的系统学研究

第4章 利用核糖体小亚基基因对盾纤类六个属的系统学研究

第5章 基于核糖体小亚基基因对类嗜污虫属和后口虫属的系统学研究

第6章 基于基因组学信息的纤毛门系统的构建

第二篇 以钩刺斜管虫为模式的基因组进化探讨

第7章 基因组结构对纤毛虫基因家族进化的影响

第8章 选择性拼接基因对基因组及基因家族进化的启示

参考文献

致谢

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