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后生动物线粒体基因组因长度较小(约16-20kb)、进化速率快、结构紧凑、母系遗传等特点,成为基因组进化研究的良好模型。迄今为止,已有56个双壳纲(Bivalvia)贝类的线粒体全基因组序列报道。根据已有的数据显示,双壳类尤其是翼形亚纲贝类是目前已知线粒体基因组变异程度最高的类群之一。即使隶属于同一个科乃至同一个亚科的物种,线粒体基因组的组成和排列方式也呈现出较大的差异,且不同类群不同阶元的物种线粒体基因变化不同,但一般而言,高级阶元的物种基因变化要大于低级阶元。本研究选取具有重要经济价值的七种贝类为对象,包括扇贝科Chlamydinae亚科的赭类栉孔扇贝、Pectininae亚科的三个种(长肋日月贝、泰国日月贝、大扇贝)、贻贝科的翡翠股贻贝以及江珧科的栉江珧和中国江珧,扩增测定它们的线粒体基因组,并在科、亚科和属阶元对其进行比较分析。
结果显示,扇贝科、贻贝科、江珧科的线粒体基因组在碱基组成、碱基使用偏好、13个蛋白编码基因密码子使用等方面具有相似的特点。然而,它们在tRNA基因家族组成、线粒体基因组排列顺序、编码氨基酸序列上呈现了较大的差异。扇贝科同一个属的物种之间的线粒体基因组成和排列方式一样,Aequipectinae亚科与Pectininae亚科物种线粒体基因组组成模式相同,Pectininae亚科物种的线粒体基因组最保守,不同属的日月贝与大扇贝的线粒体基因组成和排列方式一样。对Chlamydinae亚科4种扇贝以及Aequipectinae亚科与Pectininae亚科的线粒体基因重排方式进行的推测表明邻位基因区的转座在扇贝类群的线粒体基因组进化中比较普遍。贻贝科是一个线粒体基因组变异更大的一个科,三个属的线粒体基因排列方式差异巨大,甚至没有共享的geneblock。江珧科物种的线粒体基因组高度变异,同一个属的栉江珧和中国江珧线粒体基因高度重排的现象在双壳贝类中是首次发现。
在比较研究中,我们在扇贝科物种中发现了tRNA基因的调度的实例。而tRNA基因的重复现象非常普遍,三个科都发现了trnN的重复现象,扇贝科巨扇贝的两个trnN通过完全复制而来,贻贝科M.senhousia的两个trnN的反密码子不同,分别为GTT和ATT,相似度值为41%,江珧科的中国江珧的两个trnN相似度值为44%,反密码子均是GTT,3种不同的tRNA基因重复模式有可能是不同的分子机制和选择进化压力导致的。我们发现江珧科、扇贝科和贻贝科的蛋白编码基因的起始密码子使用保守性与它们的cox1平均相似度值成反比。M.senhousia的trnS-UCN以及中国江珧的trnM-AUA在L链编码的情况让我们跟踪到翼形亚纲物种线粒体由双链编码转为单链编码的历史轨迹。除了贻贝科的控制区没有串联重复序列以外,扇贝科和江珧科物种的控制区普遍存在串联重复现象,但是扇贝科的串联重复单元不具有同源性,而江珧科的串联重复单元明显具有同源性。串联重复序列除了以串联重复次数的多少改变线粒体基因组大小以外,还可能是控制区行使功能的主要区域。13个线粒体呼吸链功能蛋白编码基因除外的ORF在江珧中发现,让我们对线粒体基因组的结构和功能产生了新的认识。通过验证提出假说,我们发现即便是同一类群,不同亚科物种之间的线粒体基因变化不一定大于同一个亚科不同属,同一个属物种之间的线粒体基因变化不一定保守,不局限于tRNA或是MNR的改变。以上的发现使我们对双壳纲线粒体基因组的认识更加深入。总之,线粒体基因组不是我们原本想象的那么简单,有更多的东西等待着人们去探索和发现。