论文摘要
蝶类是一类隶属于鳞翅目、双孔次亚目的昆虫,是自然生态系统的重要组成之一,在维持生态平衡和可持续发展等方面起着重要作用。同时,它们也逐渐成为生物学诸多研究领域,如进化生物学、发育生物学、保护生态学等的重要模式生物之一。绢蝶属（Parnassius）隶属于凤蝶科、绢蝶亚科,主要分布于中亚至青藏高原高山山脉地区,然而却是绢蝶亚科中物种数最多的一个类群。前期关于绢蝶属蝶类起源与演化的相关研究表明,它们是在青藏高原造山运动这一复杂的地质环境演变背景下形成并快速分化的典型昆虫类群之一。同时,由于绢蝶在漫长进化过程中已适应了高寒、缺氧等极端环境,因而它们可以作为研究昆虫高原适应机制的一个理想模式生物类群。然而,绢蝶属高原适应的内在分子机制、形成与演化的时空格局及其相关地质环境背景仍然不甚清晰,还需要运用多方面的证据进一步综合探讨。本研究首次对我国绢蝶主要代表种类开展了较大规模的转录组测序、组装和注释工作,分析了不同海拔分布的8个绢蝶代表种共11个代表样本的转录组特征,并基于基因表达模式分析和选择压力分析结果对绢蝶高原适应相关的分子进化机制进行了研究;同时,利用大量单拷贝直系同源基因序列并结合PCR扩增若干基因序列片段,对绢蝶属深部分支的系统发生关系进行了分析,最后综合寄主植物起源与演化、青藏高原隆升以及古气候变化等资料,对绢蝶属谱系年代及其演化的主要环境背景进行了较系统的解析。主要结果如下:（1）通过对绢蝶进行较大规模的转录组深度测序,共获得了超过6.7亿个高质量Reads以及总长度达98.34Gbp的碱基序列,组装后共获得了超过55.4万个Unigene（平均长度492bp）;平均每个物种有27,104个Unigene（56.32%）具有可靠的同源注释结果,其中在NR数据库中获得注释的Unigene数目最高（25,818,53.65%）,获得eggNOG、SwissProt以及GO注释的Unigene数目分别为25,491（53.25%）、18,409（37.31%）和16,623（34.10%）,各物种间的基因注释一致性程度较高。（2）基因表达模式分析结果显示,高低海拔绢蝶样本间的差异表达基因主要参与遗传信息加工（包括DNA复制、重组与修复、RNA加工、转录、翻译以及与翻译直接偶联的核糖体结构与生物合成等）、翻译后修饰与蛋白周转、信号转导、能量合成、各类物质（包括碳水化合物、脂肪、核苷酸和氨基酸等）转运与代谢等过程,并在氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation）、核糖体（Ribosome）以及产热（Thermogenesis）3个代谢通路中显著富集;参与DNA和细胞损伤修复、RNA加工与修饰、核糖体生物合成、蛋白翻译后折叠与修饰、缺氧应答、抗氧化、免疫防御等过程的绝大部分基因的表达水平在高海拔绢蝶中均普遍提高;与线粒体生物合成相关的基因表达水平在高海拔绢蝶中显著下调,但参与能量代谢途径的若干核基因的表达水平却仍然很高。同时,我们还在高海拔绢蝶中发现若干独特的基因表达调控方式,如:编码V-ATPase各亚基的多个基因（如ATP6V1D、ATP6V0E2、ATP6V0C、ATP6V1G以及ATP6V1F等）表达水平协同上调,可能有利于绢蝶在有限的能量供给条件下更好适应高原特殊环境;参与昆虫气管发育过程的2个基因（如EMS和FOI）表达量普遍上调,可能有助于绢蝶在高原缺氧条件下快速摄取并传递氧;参与视网膜修复和再生过程的2个基因（MANF和CDASE）表达量普遍上调或发生正选择,可能在应对高原紫外线辐射导致的组织损伤过程中发挥重要作用。另外,高海拔绢蝶中参与戊糖磷酸途径、糖异生、嘌呤核苷酸合成等代谢途径的相关基因表达量也协同上调,不仅有助于高原绢蝶抗氧化、耐寒、促进机体免疫应答,还有助于抗饥饿、延长寿命等。以上结果显示,绢蝶的高原适应性不仅表现在耐缺氧、耐寒和抗紫外线辐射方面,还体现在抗饥饿、提高免疫防御、促进细胞增殖与生长等各个重要生命过程中。综合以上分析结果表明,绢蝶的大多数共同差异表达基因具有多种功能,参与高原适应的各方面调节具有正相关性,同时高海拔绢蝶在基因表达方面的调控既是系统性的,也是有一定独特性的。（3）适应性分子进化分析结果显示,绢蝶属基部主要演化支间的dN/dS值差异明显,且绢蝶共同祖先演化支的dN/dS值相对最低;5个基因（ILF2、PRPF17、SHF、CDASE和PGM2）发生了正选择,具有明显的氨基酸位点替代特异性并可能会导致蛋白结构稳定性、疏水性以及活性等功能性变化;绢蝶属的候选快速进化基因和正选择基因均主要参与遗传信息加工、环境信息加工以及能量代谢等途径,与大部分的共同差异表达基因的功能类别相同。分析结果表明,绢蝶属最近共同祖先的形成过程经历了强烈的负选择作用,暗示早中新世前的青藏高原隆升以及初步形成的高原环境已对绢蝶类共同祖先的演化产生了明显的选择压力;绢蝶属各主要深部演化支却各自发生了快速适应性进化,可能与其寄主植物的协同演化和寄主植物转换事件相关。综合已有的研究结果还发现,尽管在绢蝶与其他动物类群中发生表达差异和正选择的绝大部分基因各不相同,但各类基因所参与的代谢通路却基本相同,表明它们在高原适应策略方面具有功能性趋同进化现象。（4）绢蝶属深部分支间的分子系统学和谱系年代学分析结果表明,绢蝶亚属（Parnassius亚属）在绢蝶属内是一个独立的基部演化支;在其他亚属间,Driopa亚属与Kreizbergia亚属为姊妹群,而Tadumia亚属与Kailasius亚属亲缘关系更近;基于大量直系同源基因序列能够获得十分稳健的分子系统树,表明利用转录组测序来获得大量基因序列数据是解析绢蝶属深部分支（亚属）间系统发育关系的一个有效工具;绢蝶属的最近共同祖先的形成和分化在距今约20-17百万年前（Ma）的早中新世时期开始发生,随后以紫堇属植物为寄主的各代表亚属在中新世时期快速适应性辐射（14.9-12.9Ma）;绢蝶属的快速分化跨越中新世气候适宜期（Mid-Miocene climate optimum,MMCO）,并与青藏高原的阶段性快速隆升以及大范围高山山脉形成、中亚至中国西部地区的干旱事件以及主要寄主植物的适应性辐射基本同步。依据进一步的综合分析结果,笔者认为绢蝶属蝶类的起源与辐射进化与其寄主植物（如:紫堇属、景天属、红景天属等）的时空演化格局存在明显的相关性,并受青藏高原隆升、气候变化（如温度、湿度等）等地质环境事件共同驱动。在缺乏绢蝶全基因组序列信息的条件下,本研究首次通过较大规模的转录组测序获得了大量难得的分子数据资料,并以此为基础较为详尽地分析了绢蝶高原极端环境适应的基因表达模式和序列变异特点,阐述了绢蝶属不同物种较普遍的适应策略和内在的分子生物学机制。同时,本研究基于绢蝶属深部分支的系统发生关系及其谱系年代学分析结果,对绢蝶属谱系演化历史及其主要地质环境背景进行了较系统的解析。以上研究既为绢蝶属的适应性进化提供了内在的分子生物学依据,也丰富了绢蝶属宏进化机制方面的研究结果,并为今后其他昆虫类群的相关研究提供了一些有价值的基础资料。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 苏成勇
导师: 郝家胜
关键词: 绢蝶属,转录组,比较转录组学,基因表达,选择压力,适应性进化,谱系发育,谱系年代
来源: 安徽师范大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学
单位: 安徽师范大学
基金: 国家自然科学基金《蝶类(鳞翅目:双孔次亚目)主要分类群的谱系发育年代学和历史生物地理学初步分析(NO.41172004)》,《中国绢蝶(凤蝶科:绢蝶亚科:绢蝶属)主要代表种类的时空演化格局及地球环境背景(NO.41472028)》
分类号: Q969
总页数: 139
文件大小: 6271K
下载量: 254
相关论文文献
标签：绢蝶属论文; 转录组论文; 比较转录组学论文; 基因表达论文; 选择压力论文; 适应性进化论文; 谱系发育论文; 谱系年代论文;