通过裂腹鱼类的转录组比较分析揭示青藏高原鱼类的适应性进化

发布时间：2018-10-04 23:02

【摘要】：裂腹鱼隶属于鲤形目鲤科鱼类,广泛分布于青藏高原。它们对青藏高原高海拔,低温,低氧,强紫外线辐射等极端环境具有很强的适应性。因此逐渐成为了一种理想的适应性进化研究模型。虽然近年来已有学者将裂腹鱼类和亲缘关系较远的平原鱼类做了比较分析,在一定程度上揭示了裂腹鱼类的遗传适应性。但是有关青藏高原上亲缘关系较近的裂腹鱼类之间的比较研究目前还比较缺乏。在本文中通过两项转录组学的比较研究,凭借高通量测序的大数据优势,分别对高、中、低三个海拔鲤科鱼类的转录组进行比较分析,阐述了裂腹鱼类的系统发育关系及其高原适应性进化机制。首先,选择分布于不同海拔的2种裂腹鱼类:生活在较高海拔(海拔约4000米)的特化等级类群裂腹鱼——软刺裸鲤(Gymnocypris dobula)、生活在较低海拔(海拔约1200米)的原始等级类群裂腹鱼——怒江裂腹鱼(Schizothorax nukiangensis),同时以生活在平原的鲤科鱼类——斑马鱼(Danio rerio)作为对照比较分析。应用Illumina测序,获得2种裂腹鱼类共8个组织的测序原始reads,去除接头以及低质量的reads后,利用Trinity从头组装,得到2个物种的contigs序列,基于Transdecoder预测2个转录组的编码基因,再对预测的编码基因分别进行NR、KOG、GO和KEGG等多种数据库注释。最后采用同源基因查找软件OrthoMCL筛选得到了三个物种的同源基因聚类。经过同源基因的序列比对以及过滤处理后,共计得到11007个单拷贝直系同源基因用于后续进化分析。利用PAML中的自由率模型计算单拷贝直系同源基因的dN/d S值,比较发现裂腹鱼类的进化速率明显较斑马鱼快,并且许多GO通路的进化速率也显著加快。说明由于青藏高原的隆起,裂腹鱼类的生存环境发生了改变,为了适应环境,经历了一个快速进化的过程。随后对两种海拔的裂腹鱼分别使用PAML的分支-位点模型鉴定正选择基因。它们主要分布在低氧应答、能量代谢和心血管系统发育等与高原适应性相关的生物学过程。进一步的GO富集表明在两种裂腹鱼中正选择基因富集在不同的GO条目,提示两种裂腹鱼的对高原的适应机制可能是不同的。其次,选择了分布在高低两个海拔的4种裂腹鱼:两种高海拔裂腹鱼——软刺裸鲤(Gymnocypris dobula)、裸腹叶须鱼(Ptychobarbus kaznakovi)和两种亚高海拔裂腹鱼——贡山裂腹鱼(Schizothorax gongshanensi)、青海湖裸鲤(Gymnocypris przewalskii przewalskii),同时选择两种平原鲤科鱼类——斑马鱼(Danio rerio)和草鱼(Ctenopharyngodon idellus)比较分析转录组。对4种裂腹鱼的5个组织提取RNA转录组测序。按照前文类似的方法,得到了6个物种共计7532个单拷贝直系同源基因家族,提取这些基因的4倍简并位点串联后,Modeltest检测最优模型为GTR+G+I,Paup基于最大似然法构建系统发育树,结果显示高海拔裂腹鱼、亚高海拔裂腹鱼以及平原鲤科鱼类分别各自聚为一个类群,而裂腹鱼亚科鱼类又聚为一个大类,并且进化树支持率(自展值为100)较高。参考多个已有文献报道的鲤科鱼类分歧时间,运用PAML包中的MCMCtree估算了裂腹鱼亚科鱼类的分歧年代,结果表明,裂腹鱼亚科鱼类的共同祖先在3270万年前分化,与青藏高原第一个阶段隆起的时间一致。高海拔裂腹鱼分化的年代大约在810万年前,正好是青藏高原第二个抬升阶段开始的时间这都表明青藏高原的隆起和裂腹鱼类的分化具有一致性。此外与平原鲤科鱼类相比,所有裂腹鱼类的dN/dS值都显著升高,并且一些和高原适应相关的能量代谢、低氧应答以及DNA修复等方面的GO条目的进化速率也明显加快,说明青藏高原的鱼类经历了一个快速的进化过程。通过分支-位点模型计算和似然比检验,在高海拔裂腹鱼和亚高海拔裂腹鱼中分别鉴定得到了208个和137个正选择基因,其中仅有12个基因是重合的。分别对这些正选择基因进行GO富集,GO功能也呈现了不同的富集分布,在包括“感官器官形态发生”、“蛋白质泛素化调节”、“血液循环”和“血管发育”等方面都出现了差异。这些结果提示在高海拔和亚高海拔的裂腹鱼亚科鱼类在青藏高原隆起的过程中可能面对不同的选择压力。比较正选择基因和已知的低氧应答相关基因,在两个海拔的裂腹鱼中分别得到了28个和21个低氧应答相关的正选择基因,其中部分基因还参与能量代谢过程,说明裂腹鱼类的能量代谢网络和低氧应答网络可能是相互联系的。最后基于FPKM法计算了两个海拔裂腹鱼的基因表达谱,然后利用DEGseq比较基因的表达差异,显示在肝脏、肌肉和脾脏中的差异基因数目较多,这些组织主要和代谢、免疫和造血相关。其中有27个基因既为差异基因又为正选择基因,暗示着这些基因在裂腹鱼亚科鱼类适应青藏高原环境的过程中可能发挥了重要的作用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S917.4

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本文编号：2252221