16种真鲨目鱼类的线粒体基因组分析和分子系统发育研究

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目的:  真鲨目( Carcharhiniformes)属于软骨鱼纲( Chondrichthyes)下板鳃(Elasmobranchii)的侧孔总目(Pleurotremata),是侧孔总目中数量最大、种类最多的目,共有超过224个物种。根据形态学分类,真鲨目鱼类可分为真鲨科(Carcharhinidae)、双髻鲨科(Sphyrnidae)、猫鲨科(Scyliorhinidae)以及皱唇鲨科(Triakidae)等8个科,它们广泛分布于各大海域,是海洋中强大的掠食者之一。目前,真鲨目鱼类的数量逐年减少,部分真鲨甚至面临着灭绝的危险,故对真鲨目鱼类进行分类学以及进化发育学的研究变得十分重要。基于形态学的传统分类学研究在真鲨目鱼类的系统发育学研究上存在许多分歧,而分子系统发育学的引入将有利于完善和补充形态学分类的不足,为真鲨目鱼类的系统发生提供基于分子水平的证据。  本文测定和比较分析了16种真鲨目鱼类的线粒体基因组,并结合Genbank已收录的52种侧孔总目鱼类线粒体基因组全序列对侧孔总目进行系统发育树的重建(结合最大似然法和贝叶斯法)以探讨真鲨目在侧孔总目中的系统发育学位置,并同时对真鲨目鱼类内部的相互关系进行描述。此外,基于12种蛋白编码基因(除了轻链编码的ND6基因)重建的系统发育树和化石记录被用作真鲨目鱼类分歧期源时间的估计和探讨。  方法:  1.样本采集和线粒体全序列的测定:从中国东南沿海、泰国以及澳大利亚采集得到16种真鲨目鱼类的组织样本,提取DNA,PCR扩增并测序,之后拼接产生各真鲨的线粒体DNA全序列。  2.线粒体全基因组的比较分析:主要以16种真鲨目鱼类线粒体全基因组整体、rRNA基因、tRNA基因、蛋白编码基因以及两个重要的非编码区(轻链复制起始位点(Origin ofReplication inLightStrand, OL)和控制区(Control Region,CR))为对象,比较分析了它们的长度、碱基组成、变异位点以及其它重要特征。  3.系统发育树的重建:基于本文测得的16种真鲨目鱼类线粒体全序列和Genbank收录的52种侧孔总目鱼类的线粒体DNA,以下孔总目中的许氏犁头鳐(Rhinobatos schlegelii)(NC_023951)、赤魟(Dasyatis akajei)(KC526959)以及昆士兰锯鳐(Pristis clavata)(NC_022821)作为外群,运用最大似然法(Maximum likelihood, ML)和贝叶斯法(Bayesian Inference, BI)(3个分区:rRNA基因;12个蛋白编码基因密码子第一位;12个蛋白编码基因密码子第二位。)对侧孔总目鱼类进行系统发育树的重建,并探讨真鲨目在侧孔总目中系统发育位置和真鲨目内部鱼类的相互关系。  4.分歧时间估计:基于33种真鲨目鱼类的12种蛋白编码基因的密码子第一位和第二位分区(除了由轻链编码的ND6基因),以?Scyliorhinidae(侏罗纪中期(176.0-161.0百万年前(Million Years Ago,MYA)))和?Loxodon sp.(白垩纪晚期(99.6-66.5 MYA))的化石记录作为化石时间标定点,进行基于贝叶斯法的BEAST分歧时间估计,分析得到真鲨目各科的分歧时间,借以探讨真鲨目鱼类的分歧起源的历史。  结果与讨论:  1.16种真鲨目鱼类的线粒体DNA长度从16,691 bp到19,100 bp。其中,梅花鲨Halaelurus buergeri在控制区存在大量串联重复序列,而日本半皱唇鲨Hemitriakis japanica在Cytb与tRNA-Thr间存在一段594bp的插入序列。16种真鲨线粒体DNA的碱基组成与其它脊椎动物一样呈现高A+T含量和低G含量的特点。真鲨目鱼类线粒体基因组主要由2个rRNA基因、13个蛋白编码基因、22个tRNA基因以及两个主要的非编码区(OL和 CR)组成,它们的排列顺序和转录方向和其它鱼类相同,而当中变异较少,较为保守的是rRNA基因,进化速率最快、变异最大的是控制区序列(终止序列区(Termination Associated Sequence domain, TAS)、中央保守区(Central Conserved domain, CD)和保守序列区(Conserved Sequence Blocks domain, CSB))。13个蛋白编码基因中最保守的为COI基因,相对变异较大的为ATP8基因,而所有蛋白编码基因都受到强烈的净化选择作用。  2.运用最大似然法(MaximumLikelihood, ML)和贝叶斯法(Bayesian Inference, BI)对侧孔总目鱼类进行系统发育树的重建的结果支持侧孔总目的真鲨首目和角鲨首目的分类体系,形成了((六鳃鲨目+(角鲨目+(扁鲨目+锯鲨目)))+(虎鲨目+(须鲨目+(真鲨目+鼠鲨目))))的系统发育学关系且均有较好的BPP(BI树)和BP(ML树)值的支持。真鲨目内部的系统发育学结果显示跟形态学分类相同的科级别的分类,共呈现7个科,猫鲨科为最原始的科,双髻鲨科为最年轻的科,其中猫鲨科的梅花鲨与其它科的亲缘关系比本科的阴影绒毛鲨和小点猫鲨更近显示猫鲨科为多系群,而双髻鲨科嵌入真鲨科内部也表明了真鲨科的多系性。  3.结合化石时间标定和基于12种蛋白基因重建产生的贝叶斯进化树的  BEAST分歧时间估计的结果虽然存在高估分歧时间的现象(多数估计结果比最早化石记录早得多),但是整体上与化石记录可以对应,其中,真鲨目鱼类最早起源于侏罗纪中期(猫鲨科的分歧),在白垩纪末期分歧出了皱唇鲨科及真鲨科,真鲨目鱼类经受住了 K-T大灭绝得以保留,在古近纪(Paleogene)发展出了属级别的分歧,而双髻鲨科同样也在古近纪得到分歧。在新第三纪,真鲨属鱼类开始大量分歧产生。
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