二级结构进化约束下的ITS2系统发育分析

发布时间：2020-10-17 18:48

　　 ITS是目前唯一一个在植物系统发育研究中广泛使用的核基因。ITS2是ITS主要的变异区,在近缘物种鉴定,特别是DNA条形码研究中具有更高的利用价值。一直以来,系统发育分析将ITS2基因片段作为DNA序列处理,然而ITS2在生物体内会转录成具有二级结构的rRNA分子,其配对区碱基存在特殊的“碱基补偿替换”现象,即配对碱基间的共进化。这与DNA模型中碱基变异的独立性假设存在冲突。然而这种不恰当的模型假设会对ITS2系统发育分析造成多大的影响至今尚无定论。本研究在大数据的基础上,基于RNA模型来评估ITS2在二级结构约束下的进化规律,并评估其对构建进化树的影响,为优化ITS2系统发育分析、获得更为准确的ITS2进化关系树提供借鉴。为全面评估RNA模型对ITS2序列的适合度并分析ITS2二级结构的进化规律,本研究中以属为基本单位,选取了种子植物32目,42科中的70个属,共计2203种、4219条ITS2序列,全面覆盖了种子植物的代表性支系。基因序列下载自GenBank并通过其基因注释信息结合ITS2 Database的Annotate功能界定ITS2。在常规系统发育分析中,选用贝叶斯方法构建基于DNA模型的系统发育树,使用MrModelTest获得最优进化模型,使用MrBayes软件构建贝叶斯树。在基于RNA进化模型的系统发育分析中,首先使用LocARNA软件来预测ITS2共有二级结构,并根据ITS2的保守结构进行人工校正;其次利用PHASE-3.0软件包中的model_selection.pl程序获得最优进化模型;最后使用PHASE-3.0软件包中的mcmcphase.exe程序构建贝叶斯树。对两种分析方法所构建的进化树比较树图拓扑结构、支持率和鉴定效率并进行统计学分析,进而评估使用RNA模型的优越性。研究结果表明:(1)70属ITS2配对区最优进化模型均是RNA模型,其中绝大多数类群是16-state RNA模型,少数是7-state RNA模型。此外,在模型选择结果中是否设置γ模型参数(表示为是否+G)以及7-state模型对错配碱基对(MM)的不同处理(等频率或经验频率)在结果中均有涉及,这些结果表明ITS2配对区的进化模式与DNA的进化模式不一致且存在RNA进化模式的多样性,显示了使用RNA模型研究ITS2系统发育的必要性。(2)配对区的G+C碱基频率总是高于非配对区。碱基对的频率从高至低依次是GC、UA、GU、MM,而碱基对替换速率与之相反,表明ITS2序列倾向于保留稳定的碱基配对(如GC)以维持二级结构。此外,对双替换(rd)、双颠换(rv)、正向速率(沃森-克里克配对转换为GU,rf)和反向速率(由GU转换为沃森-克里克配对,rb)这4个替换速率参数的统计结果显示有34属rd和rv参数值不为0,有19属rd/rv大于1,而其它15属则是rd/rv小于1;在所有情况下rd均小于rf在部分类群如菟丝子属(Cuscuta)中,rb/rf约等于1,但在大多数情况下rb大于rf,这表明真实植物类群中存在CBC且双替换一般通过两步法完成,中间态GU能相对稳定地存在,但会更加快速地转化为沃森-克里克配对。(3)对基于DNA模型和基于混合模型(配对区RNA模型,非配对区DNA模型)的系统发育树进行比较,基于混合模型的系统发育树的支持率在不同区间范围内(支持率大于50%、70%、90%、95%)有不同程度的降低。在支持率大于95%区间内,70属中有30属在加入RNA模型建树后鉴定效率下降,下降百分比最大100%。这表明由于RNA模型以共进化的碱基对作为进化单位,降低了信息位点数量,使得构建的贝叶斯树支持率和物种鉴定率都有不同程度的下降。因此,我们的结果进一步证实了传统使用DNA模型的方法可能会导致支持率和鉴定效率虚高的推测。(4)另一些结果表明使用RNA模型建树后少数类群的支持率和鉴定效率有增加的现象。这可能是由半补偿性突变的存在及共有二级结构指导下序列比对的结果中增加了同源信息位点引起的。基于大数据和新方法体系的研究结论,证明了传统上使用DNA模型对ITS2基因的分析方法需要优化。本文建议在将ITS2基因用于系统发育分析时,应当考虑ITS2二级结构对其进化的约束,将RNA模型加入分析。这为澄清更多进化事实、建立更精确的系统发育学方法提供了新视角。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q943
【部分图文】：

图１－１?ＩＴＳ２二级结构及在配对区发生的互补碱基替换。Ａ．落新妇的ＩＴＳ２二级结构；Ｂ．落??新妇属两物种ＩＴＳ２二级结构Ｉ号臂上的互补碱基替换，图左为落新妇，图右为溪畔落新妇。??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ?ｂａｓｅ?ｐａｉｒ?ｃｈａｎｇｅ?（ＣＢＣ）．?Ａ．?ＩＴＳ２??ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ａｓｔｉｌｂｅ?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ；?Ｂ．?ＣＢＣ?ｉｎ?ｓｔｅｍ?Ｉ?ｏｆ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｗｏ??Ａｓｔｉｌｂｅ?ｓｐｅｃｉｅｓ，?Ａ．?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?Ａ．?ｒｉｖｕｌａｒｉｓ?（ｒｉｇｈｔ）．??在系统发育分析方法中，序列矩阵的进化规律具体表现为进化模型的参数设??置。前人研究表明，ＲＮＡ模型描述ＲＮＡ二级结构配对区的序列进化时要优于??ＤＮＡ模型。因此，基于二级结构信息进行结构分区并使用ＲＮＡ进化模型分??析配对区序列可能更适合统计ＩＴＳ２序列中发生的突变规律然而，目??前却鲜有研宄将ＲＮＡ模型用于ＩＴＳ２的系统发育分析中。??综上所述，在实际的系统发育分析中，忽略ＩＴＳ２作为ＲＮＡ以二级结构进??化的事实，将其作为ＤＮＡ序列处理是否会对系统发育分析造成影响？如果ＲＮＡ??模型更适用于ＩＴＳ２二级结构的配对区序列，那么利用ＲＮＡ模型分析ＩＴＳ２序列??

ＢＭＭ??图１－１?ＩＴＳ２二级结构及在配对区发生的互补碱基替换。Ａ．落新妇的ＩＴＳ２二级结构；Ｂ．落??新妇属两物种ＩＴＳ２二级结构Ｉ号臂上的互补碱基替换，图左为落新妇，图右为溪畔落新妇。??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ?ｂａｓｅ?ｐａｉｒ?ｃｈａｎｇｅ?（ＣＢＣ）．?Ａ．?ＩＴＳ２??ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ａｓｔｉｌｂｅ?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ；?Ｂ．?ＣＢＣ?ｉｎ?ｓｔｅｍ?Ｉ?ｏｆ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｗｏ??Ａｓｔｉｌｂｅ?ｓｐｅｃｉｅｓ，?Ａ．?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?Ａ．?ｒｉｖｕｌａｒｉｓ?（ｒｉｇｈｔ）．??在系统发育分析方法中，序列矩阵的进化规律具体表现为进化模型的参数设??置。前人研究表明，ＲＮＡ模型描述ＲＮＡ二级结构配对区的序列进化时要优于??ＤＮＡ模型。因此，基于二级结构信息进行结构分区并使用ＲＮＡ进化模型分??析配对区序列可能更适合统计ＩＴＳ２序列中发生的突变规律然而，目??前却鲜有研宄将ＲＮＡ模型用于ＩＴＳ２的系统发育分析中。??综上所述，在实际的系统发育分析中，忽略ＩＴＳ２作为ＲＮＡ以二级结构进??化的事实

植物不同进化支系中选取实验类群。裸子植物类群目前还没有基于分子数据建立??的分类系统，本研宄根据之前研宄者利用分子数据构建的系统发育树进行采样??［５１＿５２］。理论上来说，增加取样密度可以避免长枝吸引等系统误差，进而提高系统??发育研宂的准确性［５３＿５７］。然而部分属属内物种多且被测序的ＩＴＳ２序列数量庞大，??会影响共有二级结构预测的准确性，因此我们只进行了有限的取样，在特殊情况??下取样密度只保证包含此类群的物种多样性和谱系多样性。??２．１．２实验材料??本研宄共选取了种子植物７０个属作为研究对象。其中裸子植物９属，包括??１７７物种，３８９个体，隶属于２目６科（图２－１）。被子植物６１属，包括２０２６??物种，３８３０个体，覆盖各大主要类群分支（图２－２），隶属于２７目３６科（附录??１）。本次取样序列均下载自ＧｅｎＢａｎｋ，所用序列共４２１９条，研究对象及其采样??序列详细信息见附录２。???Ｃｙｃａｄａｃｅａｅ??
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本文编号：2845183