我国泥鳅属鱼类系统发育、群体结构及其适应性进化研究

发布时间：2018-05-30 13:49

本文选题：泥鳅属 + 形态学　；参考：《华中农业大学》2017年博士论文

【摘要】：泥鳅属(Misgurnus)隶属于鲤形目(Cypriniformes),鳅科(Cobitidae),花鳅亚科(Cobitinae)。泥鳅属鱼类作为一类营底层生活鱼类,广泛分布于河流、湖泊以及稻田等水体中,具有较强的适应性。近年来,由于环境污染,不合理捕捞等因素,泥鳅属鱼类的自然群体显现出种群减少、体型小型化等趋势。本研究通过对我国泥鳅属鱼类物种资源开展调查与样本采集,系统地揭示了我国泥鳅属鱼类的自然分布格局,并结合形态学与DNA条形码方法对泥鳅属鱼类及其邻近种开展物种鉴定研究;基于已有鳅超科鱼类线粒体基因组,深入探讨了泥鳅属的进化地位以及属内物种系统进化关系;同时,基于分子标记探讨了我国泥鳅属物种主要分布区域的群体遗传结构;通过转录组数据,从基因水平阐明了我国3种泥鳅属鱼类的环境适应性与其特异的地理分布格局的关系;并从基因组层面探讨了泥鳅属物种的密码子偏好性,进一步揭示了物种进化关系以及密码子偏好性与基因表达量的相关性。本研究主要结果如下:1.我国泥鳅属鱼类分布、种间形态差异以及DNA条形码研究在我国各个水系中分布的泥鳅属鱼类包括以下3种:泥鳅(M.anguillicaudatus)广泛分布于我国除青藏高原外的大部分地区,以长江流域物种资源最为丰富,在松辽流域少量分布;北方泥鳅(M.bipartitus)分布于我国黄河以北地区各个水系,主要分布于松辽流域,海河流域部分水体中也有少量分布;黑龙江泥鳅(M.mohoity)的分布范围较为局限,仅分布在东北地区松花江部分水系。本研究基于资源调查结果,选取我国北方地区15个自然群体开展了4个物种(包括大鳞副泥鳅Paramisgurnus dabryanus)的12个形态学参数测量与比较分析。结果显示,4个物种的形态学参数十分接近,仅尾柄长存在显著性差异(P0.05),相较而言,北方泥鳅的尾柄最长,黑龙江泥鳅与大鳞副泥鳅次之,泥鳅尾柄最短;相比其余3个物种,黑龙江泥鳅则表现出更长的前躯长(DPR);此外,3个泥鳅属物种的尾柄高与体宽存在显著差异(P0.05);聚类结果表明泥鳅与大鳞副泥鳅的外部可量性状更为接近,而北方泥鳅与黑龙江泥鳅形态学更为相近。形态学性状的相似性使得泥鳅属物种以及邻近种的鉴定存在难度,因此本研究基于cox1基因开展了泥鳅属物种与邻近种共计186尾样本的DNA条形码研究。结果表明,基于遗传距离方法、贝叶斯法以及特征值法均能有效进行泥鳅属物种及其邻近种的物种鉴定。2.基于线粒体基因组研究泥鳅属鱼类的进化关系及适应性进化本研究基于59种鳅超科鱼类线粒体基因组构建鳅超科系统发育树,探讨泥鳅属及其邻近物种的物种进化关系;同时,从基因与密码子层面揭示泥鳅属物种的环境适应性进化。结果如下:基于最大似然法与贝叶斯法构建鳅超科系统发育树的拓扑结构一致,鳅超科鱼类明显分为四大类群,其分类关系为(沙鳅亚科+(平鳍鳅科+(花鳅亚科+条鳅亚科))),花鳅亚科中的泥鳅属鱼类没有形成一个单系类群,其中泥鳅属的黑龙江泥鳅,俄罗斯泥鳅(M.nikolskyi)与副泥鳅属(Paramisgurnus)以及高丽鳅属(Koreocobitis)鱼类聚为一支,泥鳅与北方泥鳅则跟花鳅属(Cobitis)鱼类聚为一支;PAML的自由比模型分别计算各个基因的替代速率显示,泥鳅属鱼类PCGs的Ka/Ks显著低于花鳅属与副泥鳅属的鱼类,基于分支位点模型分析结果显示cox2在泥鳅与北方泥鳅这一分支受到强烈的正向选择(ω=10.92,P0.01),其中BEB分析结果显示在其起始密码子ATG后的137 bp与217 bp位点为正向选择位点;基于21种花鳅亚科鱼类线粒体PCGs的RSCU值进行聚类分析结果显示,泥鳅属的黑龙江泥鳅,俄罗斯泥鳅以及副泥鳅属的大鳞副泥鳅聚为一支,且与高丽鳅属鱼类关系更近;泥鳅与北方泥鳅聚为一支,与花鳅属鱼类关系更近。3.泥鳅、北方泥鳅与黑龙江泥鳅群体结构本研究基于简化基因组测序技术对长江流域15个泥鳅群体开展群体遗传结构分析,结果表明在大部分群体中SNP标记的主要基因型占主导(90%),杂合度分布范围在0.031到0.097;长江流域泥鳅群体可分为两个亚群,长江上游群体与中下游的群体差异明显;FST计算结果显示,长江流域群体间遗传关系较远,存在一定程度的遗传分化,尤其是在上游群体与下游群体间存在遗传分化;基于遗传距离矩阵构建NJ树的结果显示,长江流域泥鳅分为了两大支系,其中上游群体构成了一大分支,中下游群体汇为了一支,与群体结构分群结果相吻合;主成分分析结果表明,除ZY群体外长江上游与中下游群体有着较为明显地区分,ZY群体与中下游的群体存在一些重叠交叉。同时,基于线粒体标记探讨了松辽流域北方泥鳅与黑龙江群体的遗传结构,在北方泥鳅与黑龙江泥鳅个体中分别鉴定出19与21个单倍型,北方泥鳅群体中除FUJ群体外,其余群体均表现出低核苷酸多样性与高单倍型多样性;黑龙江泥鳅则表现出高核苷酸多样性与单倍型多样性;AMOVA分析显示北方泥鳅与黑龙江泥鳅群体间均存在着显著的群体分化,错配分布与中性检验结果表明二者均未发生群体迅速扩张事件。4.泥鳅、北方泥鳅与黑龙江泥鳅适应性进化我国泥鳅属物种分布具有物种特异性,为探究泥鳅属物种的环境适应性,本研究基于转录组序列,通过与蛋白数据库比对,RPKM值过滤以及编码潜力计算,共鉴定出51个物种孤儿基因;同时筛选到1392个单拷贝直系同源基因,基于自由比模型计算Ka/Ks值,结果显示黑龙江泥鳅Ka/Ks值要显著高于北方泥鳅(P3.39×10-7)与泥鳅(P9.28×10-8);其中,289个基因在黑龙江泥鳅中Ka/Ks值显著高于泥鳅与北方泥鳅(P0.05)。为阐明3个特定谱系分支的特异性进化,通过分支位点模型鉴定出各个分支快速进化基因与正向选择基因。在3个泥鳅属物种中筛选到191~205个快速进化基因与50~63个正向选择基因;选取快速进化基因与正向选择基因二者交集后,共筛选到61个共有基因,GO富集分析显示这些基因在膜与膜组分两个条目中(P=0.033)显著富集。这些基因功能可以归纳为四类:(1)能量代谢;(2)膜;(3)信号转导;(4)细胞凋亡与增殖。在泥鳅分支中,cldn15lb与isca1基因分别鉴定出10个与6个正向选择位点,二者分别与细胞间钠离子转运以及铁硫簇组装功能相关。5.泥鳅、北方泥鳅与黑龙江泥鳅密码子偏好性基于3种泥鳅属鱼类CDS序列对物种密码子与密码子对使用偏好性进行了分析。结果表明,这3种泥鳅属鱼类的密码子使用偏好性十分相似;中性作图显示在3个泥鳅属物种中,自然选择对密码子偏好性占主导作用。在3个物种中均识别出了4个高频密码子,以及9~19个偏好密码子对;在泥鳅属鱼类中NUA和NCG密码子使用频率较低,nnUAnn为避免使用的cP3-cA1二碱基。同时,高表达基因中密码子GC3要显著高于低表达基因GC3;与之相反,ENC在高表达基因中显著低于低表达基因;基于每个氨基酸S/C值,统计高表达与低表达基因组中高S/C值氨基酸频率,结果显示在泥鳅属物种中高表达的基因显著偏向使用低S/C值的氨基酸。选取已有的24个脊椎动物基因组,分别提取CDS序列并计算RSCU后,聚类与主成分分析结果表明,相比哺乳类与鸟类,鱼类明显分为了两个分支,推测其原因为鱼类物种间存在较大的遗传变异。
[Abstract]:In recent years , the species resources of the genus Misgurnus belong to Cyprinidae , Cobiidae , Cobitinae , and the species identification of the species of the genus Misgurnus in China is studied . On the basis of the genetic distance method , the relationship between the species evolution of Loach species and its adjacent species was studied . The results showed that the relationship between the species evolution of Loach species and its adjacent species was determined by the method of genetic distance . The results of the analysis showed that the main genotype of the Loach species in Loach and northern loach species was significantly lower than that of the Loach species . The results showed that the main genotype of the Loach species was dominant ( 90 % ) and the heterozygosity was distributed in most populations . In the northern loach and Heilongjiang loach populations , there were significant population differentiation and high haplotype diversity . The results showed that there were significant population differentiation between the populations of Misgurnus anguaudatus ( P = 0.033 ) . The fish is clearly divided into two branches , and the reason is that there is a large genetic variation among the fish species .
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S917.4

【参考文献】