11种鲈形目鱼类的核糖体基因GC含量及其与硬骨鱼类的特征比较

核糖体基因为串联重复多拷贝的基因,包括3个编码基因(18S,5.8S,28S)和两个间隔区ITS1(internal transcribed spacer 1)和ITS2(internal transcribed spacer 2)。目前,对核糖体基因的相关报道主要集中在个体内不同拷贝间的多态特征,以及其作为分子标记在系统演化关系中的应用,GC含量作为一项非常重要的核苷酸序列指标,而鲜有报道。为了探讨鱼类的核糖体基因GC含量特征以及间隔区是否也存在GC平衡现象,本研究选择了鲈形目(Perciformes)5科11种鱼类5个片段的核糖体基因进行研究,包括尖吻鲈科(Latidae)、射水鱼科(Toxotidae)、军曹鱼科(Rachycentridae)、剑鱼科(Xiphiidae)、鲹科(Carangidae)。获得了1651个单克隆序列,通过分析并比较已有的其他硬骨鱼序列片段的GC含量变化特征,结果发现:本研究鱼类的18S的GC含量为52.6%~57.1%(平均54.6%),5.8S为55.6%~58.9%(平均57.4%),28S为64.2%~65.8%(平均64.6%),ITS1为56.5%~73.0%(平均65.0%),ITS2为62.3%~77.5%(平均69.1%)。编码区的GC含量相对较保守,变异范围较小,18S和5.8S变化范围明显小于间隔区,28S则位于间隔区的最低值和最高值之间。因此,我们发现硬骨鱼核糖体ITS高于60%的GC含量是该类群的一个特征,并且高GC含量的ITS1和ITS2序列中不存在明显的高GC富集区,其含量高低的变化与序列长度也没有相关性。本研究11种鱼类的ITS1和ITS2的GC含量在种内的相似性既有大于也有小于种间相同片段的相似性,因此GC平衡现象只存在部分种类中。本研究结果可为鱼类核糖体基因序列特征的进一步研究及利用提供科学依据。

鱼类线粒体DNA重排研究进展

一般认为鱼类线粒体基因组在结构上具有高度的保守性，但是通过分析NCBI数据库中的1 255种鱼类线粒体基因组全序列（截至2013年11月3日），发现～52种鱼线粒体基因组发生了重排。进一步的分析发现这些重排具有3种类型：滑移（shuffling）、移位（translocation）和倒置（inversion），并多发生于WANCY基因簇、IQM基因簇、ND6基因、控制区（D-loop）及其邻接基因等区域。该文根据已报道的4种常见的解释重排的模型：复制-随机丢失（duplication-random loss）、复制-非随机丢失（duplication-nonrandom loss）、线粒体内的重组（intramitochondrial recombination）以及由tRNA基因错误起始引起的复制（tRNA miss-priming model）解释了鱼类重排产生的可能机制，并探讨了重排现象在鱼类系统发生研究中的应用，以期为鱼类线粒体的进化研究提供科学依据。

5种鳎科鱼类核糖体ITS1序列比较

核糖体基因在很长一段时间内被认为严格遵循协同进化方式,但是在很多种类中都发现了明显的序列多态性,表明其是非协同进化。为了检测鳎科鱼类核糖体内转录间隔区1(ITS1)序列是否存在多态性,并探究其能否作为种类鉴定的分子标记,本研究克隆获得了5种鳎科鱼类共118条ITS1全序列。结果显示,眼斑豹鳎具有两种差异显著的片段类型,表明其在基因组中遵循非协同进化方式;而在其余4种鳎科鱼类中均没有发现序列多态性,表明其为协同进化。序列分析显示ITS1具有明显的种间长度异质性,最短的序列出现在蛾眉条鳎(412 bp),最长的为眼斑豹鳎(585 bp)。碱基分析显示ITS1序列在5种鳎科鱼类中都呈现出相同的趋势:C>G>A>T,且GC含量为69.5%,远高于AT含量。聚类分析显示除眼斑豹鳎外,所有鳎类均单独聚为一支,种类区分度非常明显,表明ITS1序列能够作为种类鉴定的分子标记。但是眼斑豹鳎的一个克隆和东方箬鳎聚为一支,这种序列多态性对种类鉴定产生了干扰,因此用具有多态的ITS1序列作为分子标记时一定要有足够的克隆数量,避免因数据不充分而得到不正确的结论。

硬骨鱼类核糖体基因间隔区的序列特征分析

真核生物核糖体DNA(ribosomalDNA,简称rDNA)是由几十个甚至上万个高度串联重复序列组成的多基因家族,每个重复单元都包括编码区(18S、5.8S和28S)和非编码区(ITS1和ITS2)。间隔区ITS1和ITS2常被用于属级及以下阶元水平的系统关系研究。然而,越来越多的研究发现,这些串联重复序列并非完全一致,有些甚至存在个体内差异,这种基因组内ITS多态性的发现,使我们对ITS用于物种系统发育重建的适用性产生了质疑。因此,我们对GeneBank中硬骨鱼类的10目ITS序列的长度和保守位点比例进行了统计分析,结果显示:ITS1长度范围为272~918bp,保守位点比例在各分类单元之间具有明显的区别,并且这种区别可以作为判断物种之间关系的特征。当序列之间保守位点比例为89.51%~100%时,为种内关系;在61.53%~81.36%范围时,为种间关系;在32.47%~58.87%范围时,为属间关系;而在1.62%~30.46%时,达到科间水平。而一些物种的保守位点比例超出此范围时,依据此标准判断就会产生偏差。ITS2的长度范围为128~694bp,保守位点比例在各分类阶元之间互相重合,在各分类阶元之间不存在明显的差异,因此该特征不能用于区分各阶元之间的关系。

5科11种鱼类ITS1特征分析及其在系统分类研究中的适用性

为了探讨ITS1作为分子标记用于鱼类系统演化的适用性,实验选取鲈形目5科11种鱼类为研究对象,包括尖吻鲈科、射水鱼科、军曹鱼科、剑鱼科和鲹科。通过克隆和测序等技术共获得了348条ITS1序列,长度范围为442~661 bp;通过对所有序列的长度、变异位点数量、GC含量、核苷酸多样性及单倍型多样性指数等遗传特征比较分析发现,11种鱼类ITS1序列无论是在种内还是在种间,长度和序列都表现出较为明显的多态性。特别是在军曹鱼中,70条克隆的长度范围为648~661 bp,但有一条序列存在55 bp缺失,结合该序列的GC含量,二级结构和最小自由能,推断该序列为假基因。以鮣为外类群,基于核糖体ITS1序列构建的邻接树显示在物种种类水平上,不同个体的克隆都按种类聚支,ITS1可以用于该类群物种的区分;在属级水平上,ITS1将11属鱼类完全区分开,能够用于属级水平的区分;在科级水平上,虽然鲹科分为2支的分子结果和形态分类存在差异,但ITS1构建的系统关系与线粒体分子标记构建的系统进化树相似。研究表明,核糖体ITS1可以作为一种有效的分子标记用于研究鱼类的系统分类研究,并且不同的分类阶元其解析能力不同,这将为鱼类核糖体的研究提供科学依据。

11种鲈形目鱼类ITS2特征及系统应用

ITS2 (Internal transcribed spacer 2)是位于核糖体5.8S和28S基因之间的非编码序列。为了探讨该片段的多样性特征以及进化模式,本研究选取了鲈形目(Perciformes) 5科11种鱼类为研究对象,共获得了444条ITS2克隆序列,其长度范围为332～515 bp。比较种内不同序列的长度发现,金带细鲹(Selaroides leptolepis)在种内存在24 bp的差异,剑鱼(Xiphias gladius)在种内存在32 bp的差异,这2种鱼类的差异较为明显;其余9种鱼类的长度相对比较保守,长度差异小于14 bp。依据11种鱼类的保守位点数、变异位点数、简约信息位点数、单倍型数、保守位点比例、单倍型多样性指数、核苷酸多样性等特征分析发现,种内存在着不同程度差异,特别是金带细鲹的ITS2序列存在着Type A、Type B和Type C 3种类型,各类型间差异较大。根据序列的多样性特征推断,金带细鲹和剑鱼的进化方式为非协同进化;蓝圆鲹(Decapterus maruadsi)、大甲鲹(Megalaspis cordyla)、吉打副叶鲹(Alepes djedaba)和日本竹筴鱼(Trachurus japonicas)的长度和变异位点均存在着一定程度的差异,但差异并不明显,视为不严格的协同进化;泰拉鰆鲹(Scomberoides tala)、布氏鲳鲹(Trachinotus blochii)、尖吻鲈(Lates calcarifer)、射水鱼(Toxotes chatareus)和军曹鱼(Rachycentron canadum) 5种鱼类为协同进化;另外,协同和非协同进化状态与分类系统没有相关性。序列比对发现,大甲鲹种内存在着由协同进化方式演变为非严格的协同进化方式的过度序列;在金带细鲹的3个不同个体中,序列间存在着从协同进化、非严格的协同进化演变为非协同进化的3种进化方式。基于ITS2序列构建的11种鱼类的邻接系统树显示,每种鱼类的克隆都分别按种单独聚为一支,鲹科7属鱼类各属也是单独聚支,表明ITS2不仅可以用在种类的分子鉴定,同时也可以作为分子标记应用于鲹科和属级水平的系统关系研究。