基于线粒体基因组和简化基因组数据的鮈亚科系统演化研究

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鮈亚科鱼类具有物种种类繁多,分布广泛,生活环境差异大等特点,使该类群系统发育关系和起源演化的研究面临较大的挑战。本研究测定了鮈亚科四种鱼类线粒体基因组并进行注释,增加了鮈亚科鱼类线粒体基因组数据,同时利用公共数据库中的序列,对鮈亚科鱼类线粒体基因组进行比较,系统阐述了该类群线粒体基因组的特性。另外,基于线粒体基因数据集及利用简化基因组的RAD测序技术在全基因组水平上获得大量SNPs位点构建鮈亚科鱼类系统发育树,并估算分歧时间及重建祖先状态,运用基因组学的手段从更高维度上深入了解鮈亚科鱼类系统发育关系及起源和演化。主要研究结论如下:(1)通过22对引物扩增并测定了四种鮈亚科鱼类长体小鳔鮈Microphysogobio elongatus、清徐胡鮈Huigobio chinssuensi、棒花鮈Gobio rivuloide、大鼻吻鮈Rhinogobio nasutus的线粒体全基因组,并进行注释,其序列长度分别为16,603bp、16,603bp、16,604bp、16,609bp,均为典型的双链环状结构,基因的组成和排列顺序和其他鮈亚科鱼类一致。全基因组序列及各区域序列均显现出A+T高于G+C的现象,D-loop序列这种偏好尤为明显。H链具明显的A、C碱基偏好现象,L链具有G、T偏好。在蛋白编码基因(PCGs)中,含有A、U碱基的密码子使用频率较高。四种鮈亚科鱼类蛋白编码基因中密码子的使用存在明显的偏好。除t RNASer(GCT),四种鮈亚科鱼类的t RNA均能形成典型的三叶草结构,且碱基的变异多发生在二级结构的环上,OL区上的碱基变异也存在相似的情况。(2)除自测的4条鮈亚科序列,结合85条下载序列对鮈亚科线粒体基因组特征进行比较分析,结果显示:鮈亚科鱼类线粒体全基因组的序列在1.65kb~1.67kb之间,导致这种差异的原因主要是非编码区长度的变化,D-loop区的长度变化尤为明显。除此之外,基因间重叠现象对序列长度的变化也造成了一定的影响。碱基组成存在明显的A+T偏好,这与其他硬骨鱼类碱基组成特性相一致。PCGs的起始密码子除了常用的ATG、GTG,还存在ATA,终止密码子的使用情况呈现出多样性。13个PCGs受到不同的选择压力,呈现不同的进化速率和核苷酸多样性,其中Nad2受到选择压力最小,进化速率最快,核苷酸多样性最高,COX1和COX3受到较高的选择压力,进化速度较慢,相对保守。(3)基于线粒体基因组数据,运用分子系统学手段对27属89种鮈亚科鱼类的系统发育关系进行构建,运用分子钟理论和5个化石校准点对其进行分化时间估算。系统发育结果显示27属89种鮈亚科鱼类分为四个谱系:“(?)属-银鮈属”谱系、铜鱼属、鳈族谱系、鮈族谱系。其中“(?)属-银鮈属”谱系位于鮈亚科系统发育树的基部,分化时间最早在33.51 Mya的渐新世;铜鱼属单独构成一支,与鳈族和鮈族构成姐妹群,分化时间在29.32 Mya;鳈族谱系与鮈族谱系构成姐妹群,二者的分化时间在28.65 Mya渐新世晚期。根据分化时间可知,鮈亚科的起源在35 Mya的始新世晚期,不同类群的分化发生在28~34 Mya的渐新世时期,各属的分化在15~28 Mya的中新世时期。基于时间树对鮈亚科鱼类进行祖先分布区域进行重建结果显示鮈亚科可能起源于中国,然后向东亚的日本、朝鲜半岛及蒙古扩散,随后向亚洲的其他地区扩散。(4)基于RAD-seq测序技术获得的SNPs数据进行系统发育树构建、分化时间估算及祖先性状重建,22属鱼类分为3个谱系:“(?)属-银鮈属”谱系、鳈族谱系、鮈族谱系。与线粒体结果类似“(?)属-银鮈属”谱系位于系统发育树的基部,分化时间最早,鳈族谱系与鮈族谱系构成姐妹群,分化时间在29 Mya。鮈亚科不同类群的分化多发生在渐新世早期,多数属的分化在10-26 Mya的中新世时期。结合分化时间,对鮈亚科7种性状的演化进行推断,结果显示鮈亚科的原始祖先形态可能为生活在水体中下层,鳔发达、肛门靠近臀鳍,腹部具鳞,口下位无乳突的侧扁型或稍侧扁型鱼类,向生活在水体底层,鳔退化、肛门靠近腹鳍,腹部无鳞,乳突发达的圆筒型鱼类演化,以适应其变化的生活环境,进而形成了目前具有多样性性状特征的鮈亚科鱼类。
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