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猎豹和叉角羚快速奔跑的趋同进化研究

2020-12-08阅读(749)

猎豹和叉角羚快速奔跑的趋同进化研究

论文摘要

奔跑运动(Cursorial locomotion)涉及到生物体的多项重要活动,如获取水源食物、寻找配偶以及避敌等。猎豹(Acinonyx jubatus)和叉角羚(Antilocapra americana)作为捕食者和被捕食者,在长期的追逐和逃跑的过程中共进化并成为了陆地奔跑速度最快的两类哺乳动物。远缘物种为了适应相似的环境或生存压力所呈现出相似的形态、生理甚至行为特征的现象,被称为趋同进化(Convergent evolution)。虽然猎豹和叉角羚亲缘关系甚远,但与同等体型的生物相比,它们体型匀称、四肢细长、骨骼轻盈,都呈现鼻孔扩大、气道变粗,心脏和肺脏显著增大、血管增粗等性状,肌肉线粒体含量极高、快肌纤维占比例大,血红蛋白增多、红细胞数量多;奔跑时张大嘴巴和运动轨迹姿势也非常相似。然而,它们之间在分子水平的趋同进化研究还未见报道。因此,本研究利用猎豹和叉角羚及其近缘种的全基因组数据,在编码蛋白的基因水平和非编码水平进行了多个层面的趋同进化的分析,包括:氨基酸位点、正选择基因(Positive Selection Gene,PSG)、快速进化基因(Fast Evolution Gene,FEG)、加速进化Gene Ontology(GO)和加速进化元件(Accelerated Evolution Element,ACEE)的趋同。主要研究结果如下:首先,本研究发现在ABCC8基因中检测到趋同氨基酸位点,VEGFB和SCN5A基因被鉴定为趋同正选择基因,TBX18和EP300基因鉴定为趋同快速进化基因,这些基因对心脏和/或血管发挥了调控作用;同时两者的正选择基因和快速进化基因同时显著富集于扩张型心肌病、肥厚型心肌病和肾上腺素作用于心肌细胞等通路,以上分析结果显示了猎豹和叉角羚很有可能在心血管系统上发生了趋同进化。其次,在CTNNA3基因中检测到趋同氨基酸位点,且有猎豹和叉角羚的加速进化元件定位到该基因,MYH13基因被鉴定为趋同快速进化基因,在ERBB4、PARD3B、PBX1等基因中均有两者的加速进化元件定位于其中,这些基因对肌肉收缩、骨骼和/或肌肉发育等均具有调控作用;两者的正选择基因和快速进化基因均显著富集于肌动蛋白细胞骨架的调节的通路,说明猎豹和叉角羚在骨骼肌肉系统可能发生了趋同进化。最后,NRXN1基因定位到了较多猎豹和叉角羚的加速进化元件,该基因的α型在调节钙通道和钙离子触发的突触与神经肌肉连接的神经递质释放中发挥作用;两者的快速进化基因显著富集于轴突向导、突触和神经营养因子等4个KEGG通路中,表明猎豹和叉角羚的神经系统也可能受到了一定的趋同进化。另外,离子功能和呼吸系统相关基因和通路也有一定程度富集。本研究通过对猎豹和叉角羚全基因组水平的趋同进化分析,旨在探究它们在适应快速奔跑的过程中可能存在的分子机制,为进一步研究和治疗反刍动物心血管疾病提供理论依据,为探索反刍动物骨骼肌肉的发育奠定了理论基础。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 文献综述
  •   1.1 奔跑
  •     1.1.1 奔跑的生物学意义
  •     1.1.2 奔跑的影响因素
  •   1.2 猎豹和叉角羚的研究进展
  •     1.2.1 猎豹和叉角羚简介
  •     1.2.2 猎豹和叉角羚形态学、生理学和行为学研究进展
  •     1.2.3 猎豹和叉角羚系统发育研究进展
  •     1.2.4 猎豹和叉角羚基因组学研究进展
  •   1.3 生物趋同进化的研究进展
  •     1.3.1 生物性状的趋同现象
  •     1.3.2 趋同的进化结果和生态结果
  •     1.3.3 分子水平趋同进化研究实例
  •   1.4 研究目的、意义及科学问题
  •     1.4.1 研究目的及意义
  •     1.4.2 科学问题
  • 第二章 材料与方法
  •   2.1 研究材料和数据
  •     2.1.1 基因组数据
  •     2.1.2 蛋白质基因集
  •     2.1.3 基因注释文件
  •     2.1.4 不同物种的体重和奔跑速度数据
  •   2.2 计算平台及分析工具
  •   2.3 分析方法
  •     2.3.1 系统发育树构建
  •     2.3.2 趋同氨基酸位点分析
  •     2.3.3 趋同正选择基因分析
  •     2.3.4 趋同快速进化基因分析
  •     2.3.5 基因通路富集（KEGG）和基因功能富集（GO）
  •     2.3.6 趋同加速进化GO分析
  •     2.3.7 加速进化元件分析
  • 第三章 结果与分析
  •   3.1 系统发育分析
  •     3.1.1 时间树
  •     3.1.2 使用4DTv构建的系统发育树
  •   3.2 趋同氨基酸位点分析
  •   3.3 趋同正选择基因
  •     3.3.1 基因通路富集结果
  •     3.3.2 基因聚类富集结果
  •   3.4 趋同快速进化基因
  •     3.4.1 基因通路富集结果
  •     3.4.2 基因聚类富集结果
  •   3.5 趋同加速进化Gene Ontology（GO）
  •   3.6 加速进化元件
  • 第四章 讨论
  •   4.1 本研究的创新点
  •   4.2 对心血管系统疾病（CAaediovascular Disease,CVD）治疗的探讨
  •   4.3 本研究的局限性
  • 第五章 结论
  • 参考文献
  • 附录
  • 致谢
  • 个人简历

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 赵越

    导师: 姜雨

    关键词: 猎豹,叉角羚,快速奔跑,趋同进化

    来源: 西北农林科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 生物学,生物学

    单位: 西北农林科技大学

    基金: 国家自然科学基金(31822052),国家千人计划青年项目(2013DFA31420)

    分类号: Q953

    总页数: 78

    文件大小: 3413K

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