低等六足动物的分子系统发生和弹尾纲Pax6基因的演化与功能研究

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论文第一部分使用核蛋白编码基因序列构建系统发生树,探讨低等六足动物的演化地位。六足动物是一类由头、胸(生有三对足)和腹三部分组成的节肢动物。现生六足动物包括原尾纲、弹尾纲、双尾纲和昆虫纲四大类群。六足动物的单系性,及其内部各高级阶元之间的系统演化关系一直悬而未决,主要是由于原尾纲、弹尾纲和双尾纲这三类低等六足动物的采集、鉴定和实验难度较大,各方面数据匮乏所致。近年来的分子系统发育研究表明,线粒体基因的演化速率过快,核糖体RNA基因的高GC含量导致的长枝吸引效应(LBA),限制了它们在解决六足动物各高级阶元系统关系中的应用。因受到保守的蛋白编码框和功能的限制,保守的核蛋白基因可能更适合解决物种高级阶元的系统发生关系。Regier等(2010)基于75种节肢动物代表类群的68个单拷贝的核蛋白基因片段的分析较好的重建了节肢动物的系统发育树,但其中缺少原尾纲数据,弹尾纲和双尾纲信息位点也缺失较多,导致其未能充分反映六足动物高级阶元的系统关系。本研究以Regier等(2010)数据为基础,通过挖掘转录组数据获得了原尾虫、跳虫和双尾虫各一物种的68个基因片段的相关序列。此外,我们还从68个分子标记中筛选了20个基因,并通过PCR克隆,再增加了一条原尾虫、两条跳虫和一条双尾虫的相关基因序列。本研究通过最大似然法(Cipres提供的在线的RAxML分析工具)重构了基于密码子1,2位点(nt12)和氨基酸数据的系统发生关系,结果支持六足动物的单系性,双尾纲与昆虫纲形成近缘类群,原尾纲位于六足动物最基部,即“原尾纲+(弹尾纲+(双尾纲+昆虫纲))”。研究结果表明,增加低等六足动物的代表类群,是解决六足动物高级阶元系统发生关系的关键。  论文第二部分比对分析了有眼跳虫和无眼跳虫的眼发育调控的关键转录因子-Pax6的序列和功能演化。不同于大多数六足动物的复眼,跳虫的眼相对简单:一些跳虫无眼,而一些跳虫的头部两侧生有数目不同的小眼。Pax6基因是两侧对称动物眼发育的关键调控因子,我们从土壤内层生存的无眼白符(姚)(Folsomia candida)和地表生活的有眼细齿球角(姚)(Ceratophysella denticulate)中分别获得了Pax6的全长编码基因:Fc-Pax6和Cd-Pax6。现有的六足动物Pax6基因的聚类关系分析显示三大分支:昆虫ey基因,昆虫toy基因和跳虫Pax6基因。借助转基因果蝇实验研究发现,Fc-Pax6和Cd-Pax6都能诱导果蝇异位眼的形成,但Fc-Pax6的诱导能力较弱。跳虫Pax6蛋白的羧基末端是其转录激活能力不可或缺的区段,其决定了两种跳虫Pax6蛋白的转录激活能力的差异。Fc-Pax6较弱的诱导能力,说明黑暗环境中生活的无眼白符(姚)的Fc-Pax6基因承受的选择压力较低,而积累了更多突变,是适应性演化的一个结果。我们的研究结果首次提供了支持跳虫眼适应性退化的分子证据,并拓展了“Evo-Devo”的研究方向。
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