三个淡水红藻类群基于rbcL基因的适应性进化及共进化分析

发布时间：2020-06-05 21:31

【摘要】：淡水红藻在红藻类群中属于十分特殊的类群,其对生境要求较高,多数类群属于脆弱群体。温泉红藻属(Galdieria)、胭脂藻属(Hildenbrandia)以及弯枝藻属(Compsopogon)为淡水红藻中三个具有代表性的典型类群。rbcL基因编码蛋白为核酮糖1,5二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)大亚基,是细胞光合作用中固定CO_2的活性位点,在细胞代谢过程中不可或缺。本文为探究淡水红藻类群的适应性进化及共进化历程,从GenBank数据库中选取三个类群的rbcL基因序列,对其编码蛋白的理化性质进行生物信息学分析,并基于采集的基因序列,采用最大似然法分别对三个类群构建系统发育树,依据所得进化树运行PAML 4.9软件分别对其内类群进行适应性进化分析,通过分支模型、位点模型和分支-位点模型来检验正选择位点存在的概率;利用在线建模方法构建蛋白质三维结构,并对正选择位点进行标定以期观察位点在蛋白质中相对位置。此外通过CAPS软件对三个淡水红藻类群进行共进化组对检验,以此探究蛋白内部氨基酸位点之间在进化历程中有何关联。主要研究结果如下:一、采用最大似然法对三个类群构建系统发育树,温泉红藻属内类群三个种聚为4个分支,其中Galdieria maxima分为两个小分支,各分支后验概率均在94.9%以上;胭脂藻属内类群共选取3个种及一株采自中国的未定种,分为5个较大分支,但小分支较多;弯枝藻属为全球单一种,系统发育树分为3个小分支且具有明显地域分布特征。二、对三个淡水红藻类群的Rubisco大亚基蛋白进行疏水性/亲水性、磷酸化位点以及蛋白二级结构预测,温泉红藻属、胭脂藻属以及弯枝藻属该蛋白的检测结果较为相似,结果表明三个类群该蛋白均为亲水性蛋白;磷酸化位点共三种,数量最少为15个,最多22个,表明该蛋白在细胞中较为活跃;对该蛋白二级结构进行预测结果表明该蛋白二级结构主要由α螺旋和β折叠构成。结果显示三个类群Rubisco大亚基蛋白结构较为稳定,在细胞中承担重要功能。三、本文对三个淡水藻类内类群进行适应性进化分析,温泉红藻属植物在分支-位点模型中检测到11个可靠的正选择位点,表明温泉红藻属rbcL基因编码蛋白为适应极端环境发生了适应性进化。其中位点269 F定位于loop6结构域,272,273位于α6螺旋结构,loop6为C末端一个特殊的突环结构,其具有重要功能。我们推测该类群分歧时间较早,故在漫长的演化过程中一些有利于植物适应环境的突变经过环境选择被保留下来,此外温泉红藻属植物长期处于封闭的高温、高酸水环境中也促进其产生新变异。胭脂藻属及弯枝藻属在分支模型、位点模型和分支-位点模型中均未检测到具有统计学意义的正选择位点,表明rbcL基因处于强烈负选择压力下。综上三个淡水红藻类群rbcL基因的适应性进化较为保守,与以往研究结果一致。四、运行CAPS软件对rbcL基因编码蛋白内部氨基酸位点进行共进化分析,三个类群中均检测到多组共进化对,与氨基酸间疏水性相关性值、分子量相关性值均具有密切关联。检测结果表明共进化位点在生物进化历程中是普遍存在的,氨基酸位点之间联系密切,若一个位点发生突变,与其相关的氨基酸位点会以补偿突变的方式维持蛋白特定的结构和功能,与此同时也会促进新性状的产生。物种的演化需要经历漫长的历程且机制复杂受很多因素的影响,因此本文中基于rbcL基因对三个淡水红藻类群进行适应性进化及共进化分析,仅能针对该基因的进化进程进行解释。在今后的物种演化研究中随着淡水红藻类群中数据的丰富,我们可以基于更庞大的遗传信息如基因组序列,对其演化机制进行检验,以期对物种进化有更加深入的理解。
【图文】：

三个淡水红藻类群基于 rbcL 基因的适应性进化及共进化分析表 2.2 Modeltest 3.7 检验得到的 rbcL 基因优化模型参数able 2.2 Optimization model parameter of rbcL gene tested by Model数lected碱基频率Base frequency+G9.35899=0.4619A=0.3283C=0.1532G=0.2179T=0.3007R[R[R[R[RR[

注：节点处的数字代表最大似然法ki靴值，A、B、C、D、E 代表选定的分支以 Porphyridium、Erythrolobus coxiae 以及 Porphyridium aerugineum 为外类群，基于胭脂藻属 rbcL 基因序列构建胭脂藻属的系统发育树（如图 2.2）。观察图2.2可知，胭脂藻属所有内类群可分为 5 个较大分支，小分支则较多。其中，分支 A 包含物种Hildenbrandia.rivularis 和 Hildenbrandia.angolensis,后验概率为 0.81；分支 B包含Hildenbrandia.angolensis 和 Hildenbrandia.rubra 两个类群，后验概率为 0.99；分支 C后验概率为 0.538，其内部又分为两个小分支，一支由 8 株Hildenbrandia.rivularis、一株未命名种 Hildenbrandia.sp 以及 3 株Hildenbrandia.angolensis 组成，另一株Hildenbrandia.angolensis 则独立形成一个小分支；分支 D 为两株 Hildenbrandia.rubra后验概率为 0.841；分支 E 为 4 株Hildenbrandia.rubra,后验概率为 0.603。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q943

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本文编号：2698643