纤毛虫原生动物的分子生物学研究:若干热点领域及新进展

作为分子生物学研究的重要模式材料,纤毛门原生动物在细胞生物学、遗传学、基因组学、生态学以及真核生物的起源和进化等领域均具有重要的研究价值.近年来,本团队在纤毛虫多样性和细胞学研究的同时,聚焦在纤毛虫的分子生物学领域并形成了一批新成果:完成了多个代表性类群2000余条标记性基因的测序和提交以及基因标记筛选、拓扑结构优化等相关的方法学探讨;以此为基础,开展了门内50余个纲目级阶元系统关系的梳理以及基于多基因分析对整个纤毛门的系统树重构建;揭示了四膜虫(Tetrahymena)的一个重要表观遗传学新现象,即特异性修饰组蛋白H3第27位赖氨酸的单甲基化酶TXR1的敲除将严重影响DNA复制延伸的速度和保守度,证实了表观遗传信息的微扰可直接影响遗传信息的复制;对具沟急游虫(Strombidium sulcatum)等6个代表种的转录组/全基因组/线粒体基因组的测序和分析,为纤毛虫进化过程中关键节点种类定位、寻找功能基因家族与形态特征的相关性提供了大量信息;首次发现了选择性拼接在钩刺斜管虫(Chilodonella uncinata)的基因家族中广泛存在并提出一新的理论模型:选择性拼接可能是基因乱序进化过程的中间形式,为探讨纤毛虫物种分化、形成机制提供了一新的视角;在对DNA条形码候选基因分析比较的基础上,初步揭示出不同纤毛虫类群生境间的迁移机制,发现和定位了4个优良候选区段并构建了80余种代表性类群的基因条形码数据库.

进展中的纤毛虫学研究:新格局、新窗口与新拓展

本文综述了作者及所在团队近30年来在海洋纤毛虫领域所取得的系列创新型研究成果。主要概括如下:(1)开拓了中国沿海自由生活类群的区系分类、生态学以及养殖动物病原学等研究,覆盖了温带、热带海区各生境中纤毛门内40余目级阶元,构建了我国长期缺失的海洋类群的物种与基因多样性资料,阐述了特定时空格局下的区系构成与群落演替规律以及主要海水养殖动物的危害性病原等,建立了包括新纲、新目、新科、新属和新种等在内的大量新阶元,系统地描述了近千种的形态分类学信息;(2)完成了1 700余种/种群DNA库、1 400余条标记基因库等纤毛虫遗传资料库的构建;在标记基因序列分析基础上,对纤毛门13个纲、55个目级阶元的系统发育进行了深层次的梳理和探讨,解答了纤毛虫系统演化、阶元定位等方面的诸多科学问题;(3)在细胞发生学研究方面,以腹毛类纤毛虫为材料,围绕无性生殖期间的个体发育,研究刻画了100余种-属的细胞分化与模式构建过程,揭示了大量发生学新现象并形成了领域内首部全视角专著《腹毛类纤毛虫的细胞发生模式》;(4)在基因组学与基因进化研究方面,针对进化地位特殊、环境依赖以及类群代表性种类,阶段性地完成了近百种单细胞基因组的常规测序和6个种的深度分析,研究揭示了钩刺斜管虫大小核基因重组模式等进化生物学新现象;(5)在基因条形码研究方面,以重要模式生物游仆虫属、草履虫属等类群为材料,开展了DNA条形码的筛选和技术优化探索,提出了COI基因和28S rRNA基因D1~D2区可有效刻画近缘种或隐存种这一新观点;(6)在表观遗传学研究方面,探讨了四膜虫组蛋白单甲基化酶TXR1对复制延伸的影响、N6-腺嘌呤甲基化的全基因组分布模式及决定因素、反式和顺式作用元件对核小体分布的协同作用以及RNAi和Polycomb通路关键蛋白对转座子沉默与激活的调控作用与机制。上述研究成果历史性地改变了纤毛虫学研究格局,极大地提升了我国原生动物学研究的国际地位。