鳞翅目昆虫基因组中HITEs转座子的鉴定、特征和进化分析

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微型反向重复转座子(MITEs)广泛分布于真核生物基因组中,相对于其它物种,MITEs转座子在植物基因组中的研究较为深入。已有的研究表明MITEs转座子在植物中不仅能够促进基因组进化还可以通过多种机制影响邻近基因的表达和结构。鳞翅目昆虫是农林业的主要害虫,随着近年基因组测序技术的发展,已有5种鳞翅目昆虫基因组序列相继被公布。这为本文比较研究不同鳞翅目昆虫基因组中MITEs转座子的含量、种类和进化模式提供了机遇。  由于MITEs转座子家族丰富多样并且不具有编码转座酶的能力,因此无法应用基于同源性搜索的方法将其从基因组中鉴定出来。本文采用基于结构的方法,搜索5个已测序的鳞翅目昆虫(家蚕、烟草天蛾、小菜蛾、帝王蝶和诗神袖蝶)基因组,系统鉴定MITEs转座子在不同鳞翅目昆虫基因组中的含量、种类和分布。进一步应用生物信息学和群体遗传学的方法研究MITEs转座子在不同鳞翅目昆虫中的进化和扩增模式。主要结果如下:  1.五种鳞翅目昆虫中MITEs转座子的鉴定,含量和特征分析  本研究应用MITE-Hunter软件对家蚕、烟草天蛾、小菜蛾、帝王蝶和诗神袖蝶的全基因组进行搜索,并经过一系列人工检索和核对后统计结果如下:在五种昆虫中鉴定出MITEs转座子家族总数分别为家蚕中221个、烟草天蛾中215个、小菜蛾中74个、帝王蝶中51个和诗神袖蝶中88个,同时各个物种鉴定出的MITEs成员总数依次为家蚕的40647个、烟草天蛾的8870个、小菜蛾的2168个、帝王蝶的2045个及诗神袖蝶的共计有14534个。五种鳞翅目昆虫中无论是在MITEs家族总数抑或是成员总数上家蚕都是数目最多的一个物种。我们根据TSD的不同将以上已鉴定出的家族分别归到已知的DNA转座子超家族PIF/Harbinger、Tc1/Mariner、hAT、Micron和CAC TA中,结果发现其中最多的MITEs转座子家族属于Tc1/Mariner超家族。MITEs转座子的序列长度多分布在500bp以内,这在进化上的意义是:序列越短越有利于转座子自身的生存和转座。进一步分析MITEs转座子在不同鳞翅目昆虫基因组中的比例发现,MITEs转座子约占家蚕基因组序列的14.37%,烟草天蛾的3.66%,诗神袖蝶的3.7%,帝王蝶的3.2%和小菜蛾的1.7%,并且所有MITEs元件所占的比例与其基因组的大小呈正相关。  2.五种鳞翅目昆虫中MITE转座子家族插入时间的估计  五种昆虫中各家族成员通过MUSCLE的比对,DAMBE计算每个MITE元件的核苷酸置换水平(K),最后用公式T=K/2r估计每个MITE家族的插入时间,最终我们发现五种鳞翅目昆虫所有家族的插入时间分布在0-40个百万年内,诗神袖蝶大部分的MITE家族插入时间是在0-2.5个百万年内,小菜蛾的集中分布在0-3个百万年内,而家蚕和烟草天蛾的相同均集中分布在0-5个百万年内,帝王蝶的多分布在0-5.5个百万年内。这说明MITEs是一种新近插入到鳞翅目昆虫基因组中的转座子。其中,家蚕的两个MITE转座子家族家蚕的两个MITE转座子家族BmMITE-13,BmMITE-211可能分别在2-4和0-2个百万年内发生过爆发式扩增。  3.预测五种鳞翅目昆虫中转座子MITE转座子家族的扩增模式  对每一个MITE家族,我们构建了NJ进化树。进化树的拓扑结构显示五种鳞翅目昆虫家蚕、烟草天蛾、小菜蛾、帝王蝶和诗神袖蝶的MITE家族中大多数都经历了多次扩增,如家蚕中的BmMITE-66;烟草天蛾中MsMITE-14;小菜蛾中的PxMITE-72;帝王蝶中的DpMITE-3等。其余的少数家族则是由单个元件发生一次爆发式扩增后产生的,如家蚕中的BmMITE-148;烟草天蛾中MsMITE-202;小菜蛾中的PxMITE-34;帝王蝶中的DpMITE-55;诗神袖蝶中的HmMITE-34等。  本文系统地鉴定了5个已测序的鳞翅目昆虫基因组中的MITEs,并分析了这些MITEs的序列特征和进化模式,发现大多数鳞翅目昆虫MITEs都在最近的过去经历了扩增,暗示可能对其寄主基因组的进化有作用。本文的结果为研究昆虫中的MITEs提供了重要信息。
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