象甲科线粒体基因组特征及系统发育分析

昆虫线粒体基因组广泛应用于系统发育关系的重新建立、分子进化、谱系地理学及物种诊断等领域。为揭示象甲科昆虫线粒体全基因组序列的主要结构特征,探究其系统发育相关信息,为进化遗传学研究和分子标记选取等提供参考依据,本研究利用比较基因组学和生物信息学方法,对NCBI上已公布的35种象甲科物种线粒体全基因组序列进行了分析。结果显示:(1)象甲科tRNA基因存在排序及数目异常情况,不同物种中蛋白质编码基因和2种rRNAs排列相同,线粒体全基因组具有明显AT偏向;(2)COX1、ATP6、ND5、ND4、ND4L和ND1基因除标准三联密码子外,还存在特殊的起始密码子AAT、TTG和GTG;(3)13种蛋白质编码基因的进化速率顺序为COX3ATP8ND2ND5ND1ND4ND6ND4LND3ATP6CytbCOX1COX2;(4)13个蛋白编码基因和rRNAs基因中,ND5、rrnL、ND4和ND2基因变异位点数较高,可作为备选的分子标记;(5)各亚科的系统发育关系可能为(((小蠹亚科Scolytinae+长小蠹亚科Platypodinae)+(隐喙象亚科Cryptorhynchinae+魔喙象亚科Molytinae+象虫亚科Curculioninae)+((孢喙象亚科Cyclominae+粗喙象亚科Entiminae)+(隐颏象亚科Dryophthorinae+长小蠹亚科))),为象甲科的系统发育分析有提供参考。     

日本条螽线粒体基因组序列的测定与分析

日本条螽完整的线粒体基因组序列长16 281 bp,包括13个蛋白质编码基因、22个tRNA基因、2个r RNA基因和1个D-loop区,其基因次序和方向与祖先序列相同。该线粒体基因组排列紧凑,但在ND2和tRNA~(Trp)之间有一段长为650 bp的基因间隔区。为研究螽斯科的系统发育关系,本研究选取日本条螽及其它17个螽斯科物种线粒体基因组的蛋白质编码基因和r RNA基因序列构建贝叶斯系统发生树。     

基于线粒体基因组全序列的鲟形目鱼类(Pisces: Acipenseriformes)的分子系统发育重建

为厘清鲟形目鱼类的系统发育, 研究新测定了中华鲟(Acipenser sinensis)、长江鲟(A. dabryanus)、短吻鲟(A. brevirostrum)、纳氏鲟(A. naccarii)、鳇(Huso dauricus)和匙吻鲟(Polyodon spathula)共6种鲟类的线粒体全基因组序列。联合已测的17种鲟类的线粒体基因组数据, 利用最大似然法和贝叶斯法重建了鲟形目鱼类的分子系统发育关系, 并采用似然值检验对不同的树拓扑结构进行了评价。结果表明, 6种新测鲟类的线粒体基因组大小为16521—16766 bp, 编码13个蛋白质编码基因、22个转运RNA基因和2个核糖体基因, 与大多数已测的鲟类的线粒体基因组结构高度相似。基于23种鲟形目鱼类线粒体基因组数据, 系统发育分析的结果表明: (1)鲟形目的两个科, 匙吻鲟科(Polyodontidae)和鲟科(Acipenseridae)均为单系; (2)鲟科的内部亲缘关系复杂, 鲟属和鳇属的物种均不构成单系群。鲟科鱼类按分子系统发育重建结果可以分为3个类群: 尖吻鲟类(A. sturio - A. oxyrinchus clade)、大西洋鲟类(Atlantic clade)和太平洋鲟类(Pacific clade)。树拓扑结构的检验结果表明, 鲟科的系统发育关系为(尖吻鲟类(太平洋鲟类, 大西洋鲟类))。铲鲟属(Scaphirhynchus)是大西洋鲟类的基部类群。研究也说明线粒体基因组数据在鲟形目鱼类系统与进化研究方面具有重要应用价值。     

枣食芽象甲线粒体基因组全序列测定与系统发育分析

【目的】从线粒体基因组水平上探讨枣食芽象甲Scythropus yasumatsui与近缘种的系统发育关系。【方法】利用Illumina MiSeq测序平台对枣食芽象甲线粒体基因组进行测序,对基因组序列进行拼装、注释和特征分析;利用贝叶斯法和最大似然法构建基于象甲科13个物种的线粒体基因组13个蛋白质编码基因核苷酸序列的系统发育树。【结果】结果表明,枣食芽象甲线粒体基因组全长为16 472 bp (GenBank登录号: MF807224),包含13个蛋白质编码基因、22个tRNA基因、2个rRNA基因和2个非编码控制区,37个基因的排列顺序与祖先昆虫的线粒体基因排列顺序一致。13个蛋白质编码基因的起始密码子为ATN,其中除了cob和nad1基因的完全终止密码子为TAG外,其余11个基因的完全终止密码子为TA(A)。22个tRNA基因中除了trnS1缺少DHU臂,反密码子由GCT变为TCT外,其余均能形成典型的三叶草结构。基于13个蛋白质编码基因序列构建的系统发育树结果显示,象甲科8个亚科系统发育关系为：(((隐喙象亚科(Cryptorhynchinae)+(象虫亚科(Curculioninae)+魔喙象亚科(Molytinae)))+长小蠹亚科(Platypodinae))+(粗喙象亚科(Entiminae)+Cyclominae亚科))+隐颏象亚科(Dryophthorinae)+小蠹亚科(Scolytinae))。【结论】在13种象甲科昆虫物种中,同属于粗喙象亚科的枣食芽象甲与南美果树象甲Naupactus xanthographus在系统发育树中聚为同一分支,表明基于线粒体基因组全序列的分子系统发育结果与传统的形态分类结果是一致的。     

黄侧异腹胡蜂线粒体基因组全序列测定和分析

【目的】测序和分析黄侧异腹胡蜂Parapolybia crocea线粒体基因组,并在线粒体基因组水平探讨异腹胡蜂属Parapolybia在胡蜂科中的系统发育地位。【方法】用Illumina二代测序技术测定黄侧异腹胡蜂线粒体基因组全序列,分析其结构特点和碱基组成;使用最大似然法(maximum likelihood,ML)构建胡蜂科7个种线粒体基因组的系统发育树,分析其在胡蜂科中的系统发育关系。【结果】黄侧异腹胡蜂线粒体基因组全长16 619 bp(Gen Bank登录号:KY679828),包含13个蛋白质编码基因,22个t RNA基因,2个r RNA基因(rrn S和rrn L)和1个控制区,基因排列顺序与推测的昆虫祖先序列不完全一致;全部蛋白质编码基因的起始密码子均为ATN,终止密码子除CYTB和ND1为TAG外,其余均为TAA;除t RNASer(AGN)的DHU臂缺失外,其他t RNA均能折叠成典型的三叶草结构;控制区中存在一个18 bp的T-stretch结构和2段串联重复序列。胡蜂科7个种基于线粒体基因组的系统发育关系表现为蜾蠃亚科+(胡蜂亚科+马蜂亚科),异腹胡蜂属与马蜂属Polistes同属于马蜂亚科。【结论】黄侧异腹胡蜂线粒体基因组存在基因重排现象。基于线粒体基因组的胡蜂科系统发育关系与传统的形态分类学结果一致:异腹胡蜂属隶属于马蜂亚科,马蜂亚科与胡蜂亚科的亲缘关系较其与蜾蠃亚科更近。     

基因药物研究现状和对策

生物技术药物以人类体细胞的基因组、转录本组和蛋白质组三个层次生物大分子为目标 ,基因药物的研究主要针对致病基因的DNA和基因转录本mRNA两类生物大分子 .mRNA从结构上考虑是研发核酸药物的最理想靶标和策略之一 .反义寡核苷酸、特异水解基因mRNA的核酸酶(ribozyme和DNAzyme)以及具有干扰作用的双链RNA(siRNA)是药物设计的策略之二 .mRNA结构靶点研究是研发反mRNA基因药物的基础 ,mRNA分子具有高度折叠的二级及三级结构 ,阐明其可及性位点 ,筛选其结构靶位点序列是关键 .近年研究报道的靶点筛选有约 7种mRNA的实测新技术 ,以及计算机辅助软件预测分析 .但发展分子生物学实验新技术以分析、确认靶点是药物研发策略之三 .     

基因敲除方法及其应用

基因（gene）是核酸分子中储存信息的遗传单位,是指储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。基因敲除（Gene knockout）是指借助分子生物学、细胞生物学和动物胚胎学的方法,通过胚胎干细胞这一特殊的中间环节将小鼠的正常功能基因的编码区破坏,使特定基因失活,以研究该基因的功能;或者通过外源基因来替换宿主基因组中相应部分,以便测定它们是否具有相同的功能,或将正常基因引入宿主基因组中置换突变基因以达到靶向基因治疗的目的。基因敲除是揭示基因功能最直接的手段之一。     

麻竖毛天牛线粒体基因组测定及天牛科线粒体基因组比较分析

【目的】线粒体基因组分析是研究昆虫系统发育的重要手段。本研究通过测定麻竖毛天牛Thyestilla gebleri(Faldermann,1835)线粒体基因组,比较分析天牛科Cerambycidae线粒体基因组的特征,进而初步探讨麻竖毛天牛系统发育地位和天牛科部分类群之间的系统进化关系。【方法】采用引物步移法测定麻竖毛天牛线粒体基因组全序列。参照Gen Bank收录的16种天牛线粒体基因组序列进行基因注释;采用在线软件t RNAscan-SE Search Server对转运RNA(t RNA)的二级结构进行了预测。通过对16种天牛的线粒体基因组进行重新注释,结合本研究获得的麻竖毛天牛线粒体基因组进行序列特征比较分析。基于11个蛋白编码基因的核苷酸序列,利用最大似然法构建了天牛科17种天牛的系统发育树。【结果】麻竖毛天牛线粒体基因组全长15 505 bp,A+T含量为74.07%,包含13个蛋白编码基因(PCGs),2个核糖体RNA(r RNA)基因,22个t RNA基因和一个长度为872 bp的控制区,未发现基因重排。通过比对17种天牛的线粒体基因组,发现长翅暗天牛Vesperus conicicollis一个t RNA(trn P)基因的移位。17种天牛的t RNA中,trn S1(AGN)的D臂均缺失,其余t RNA都具有典型的三叶草结构。大部分种类的蛋白编码基因起始密码子为典型的ATN(ATA、ATT、ATC、ATG),只有部分种类的Nad1、COI、ATP8基因存在特殊的起始密码子(TTG、AAC、AAT、GTG),终止密码子均为常见的TAR(TAA、TAG)或不完全的T和TA。系统发育树中,6个亚科分别单独分支,其中,麻竖毛天牛与云斑白条天牛Batocera lineolata聚为一支。【结论】麻竖毛天牛线粒体基因组符合天牛线粒体基因组的一般特征;除少数t RNA基因存在重排外,天牛科线粒体基因排列相对稳定;基于线粒体基因组的系统发育分析支持天牛科6个亚科的单系性,麻竖毛天牛和云斑白条天牛亲缘关系较近。     

基于叶绿体基因组探讨桃金娘目及其近缘类群的系统发育关系

该研究基于叶绿体基因组数据,对桃金娘目(6科44属97种)及其近缘类群(牻牛儿苗目2科5属25种)的系统发育关系进行了分析。结果表明:(1)桃金娘目基因组大小为152~171 kb,包括的蛋白质编码基因数目为74~90个;牻牛儿苗目基因组大小为116~242 kb,包括的蛋白质编码基因数目为75~132个。(2)对比叶绿体基因组序列和蛋白质编码基因所构建的系统发育树结果,在目间及牻牛儿苗目内差异显著,但在桃金娘目内基本一致。(3)基于蛋白质编码基因所构建的系统发育树表明,桃金娘目和牻牛儿苗目均为单系,为姐妹类群;桃金娘目内形成两个大支,桃金娘科、Vochysiaceae、野牡丹科形成一支,其中桃金娘科和Vochysiaceae关系较近是姐妹群,柳叶菜科、千屈菜科和使君子科形成另一支,其中柳叶菜科和千屈菜科关系较近为姐妹群;科级水平,桃金娘科、Vochysiaceae、野牡丹科、柳叶菜科、千屈菜科、使君子科和牻牛儿苗科均为单系(仅包括一个物种的科除外)。(4)支持将石榴属及菱属置于千屈菜科。(5)对蛋白质编码基因序列变异分析的结果表明,野牡丹科19个属的共享变异基因数目为53个,变异范围为5.84%~29.53%,桃金娘科9个属的共享变异基因数目为57个,其变异范围为1.31%~15.78%。该研究结果为进一步研究桃金娘目及相关科属的系统发育提供了理论依据。     

植物核基因组核糖体基因间隔区序列的结构特点及其在系统发育研究中的应用

目前,在植物系统发育研究中应用较多的核基因组的核糖体DNA基因间隔区序列主要有5S rDNA基因间隔区、内转录间隔区ITS和基因间间隔区IGS.虽然这些间隔区序列在长度、结构等方面各不相同,但都具有进化速率较快的特点,在植物属及属下分类水平的系统发育关系研究中非常有用.本文重点就核基因组的5S rDNA基因间隔区以及IGS在植物中的特点以及各自在植物系统发育研究中的应用进行了综述.     

核基因在两栖爬行动物分子系统学中的研究进展

从DNA水平探索生物进化的理论、生物类群的演化历史具有重要的意义,应用DNA序列研究生物的系统发育和进化规律成为当前分子系统学研究的热点,与线粒体DNA相比,核基因由于包含有更加丰富的生物学信息,运用核基因序列或将核基因序列与线粒体基因序列相结合研究两栖爬行动物的系统发育,正成为分子系统学领域的新的发展趋势.Rag-1、Rag-2、tyrosinase、rhodopsin、C-mos等核基因已在两栖爬行动物分子系统学中得到了广泛的应用.由于目前的技术手段等诸多因素,限制了更多的核基因用于两栖爬行动物分子系统学研究.为此简要介绍了目前核基因在两栖爬行动物分子系统学方面的研究进展,并分析了核基因序列在分子系统学应用上面临的问题和应用前景.     

RNA的二级结构在动物分子系统学研究中的应用

作为一类重要的信息和功能分子,RNA在分子系统学研究中有着特殊的重要作用。RNA除了其一级结构以外,其二级结构亦可用于同源性比较。由于高级结构与功能的关系更为密切,比较的结果可以揭示一些在一级结构比较中难以发现的现象。     

鞘翅目昆虫线粒体基因组研究进展

鞘翅目（Coleoptera）是世界上最具多样性的类群,具有很高的生态和形态多样性,这些多样性吸引了很多进化生物学家和分类学家的关注。随着分子生物学的发展,分子生物学技术广泛应用于鞘翅目系统学的研究,但随着研究的深入,简单的分子片段已经不能满足研究的需求,需要发掘更新的分子标记。近年来,线粒体全基因组已经成为鞘翅目分子系统学研究中很重要的分子标记之一,并广泛地应用于鞘翅目昆虫各个阶元的研究中。本文就鞘翅目线粒体全基因组的概况、研究进展及存在问题进行了总结和讨论。目前,鞘翅目线粒体基因组的研究主要包括物种线粒体基因组组成与结构、分子系统学和分子进化等方面。线粒体基因组在解决系统发育和进化方面表现出了很多的优越性,然而也存在着一些缺点,如序列难获得、基因类型单一、各基因进化速率不同、应用较局限等。     

白纹方蟹线粒体基因组全序列测定及方蟹总科比较分析

为探讨该总科内部亲缘关系及其与线粒体基因排序之间的相关性,研究以方蟹科(Grapsidae)白纹方蟹(Grapsus albolineatus)为代表种,测定其线粒体基因组全序列。其全长为15577 bp,包含13个蛋白编码基因,22个tRNA基因, 2个rRNA基因和1个控制区。基因组碱基组成为33.4%A、12.0%G、20.6%C和34.0%T,具有明显的AT偏向性(67.4%)。除ATP8和ND1以GTG作为起始密码子外,其余蛋白编码基因均以ATN作为起始密码子;除COⅡ和Cyt b以T作为不完全终止密码子外,其余基因均以TAN作为终止密码子。亮氨酸(Leu)和半胱氨酸(Cys)分别是使用频率最高(15.28%)和最低(0.81%)的两种密码子。除tRNA-Ser1缺少DHU臂外,其余tRNA均能形成典型的三叶草结构。基于13个蛋白编码基因的核苷酸序列同时构建了方蟹总科的贝叶斯树(BI)和最大似然树(ML),两种方法构建的系统发育树扑拓结构一致,均显示所有方蟹科(Grapsidae)种类聚在一起,其中白纹方蟹与同属的细纹方蟹(G. tenuicrustatus)的亲缘关系最近;...     

直翅目昆虫分子系统学研究新进展

对1994年以来国内外在直翅目昆虫种群遗传变异及进化、种及种下阶元的分类鉴定、种上阶元的系统发育分析及分子进化等分子系统学方面的研究进展进行了综述。近年来,蝗亚目昆虫分子系统学方面的研究成果较为丰富,而有关螽亚目的分子系统学研究较少。线粒体基因和核基因序列联合分析、整个基因组全序列分析以及分子数据与形态学的密切结合将是分子系统学未来发展的主要研究手段。     

Nematode Mitochondrial DNA: Anomalies and Applications

The mitochondrial genome of animal cells is currently under intense investigation by molecular, evolutionary, and population biologists. This review summarizes the available information on the molecular biology of nematode mitochondrial DNA and explains how the fundamental knowledge obtained from these basic studies may be applied to nematode systematics, evolution, and diagnostics.     

Phylogeny of flowering plants by the chloroplast genome sequences: in search of a “lucky gene”

One of the most complicated remaining problems of molecular-phylogenetic analysis is choosing an appropriate genome region. In an ideal case, such a region should have two specific properties: (i) results of analysis using this region should be similar to the results of multigene analysis using the maximal number of regions; (ii) this region should be arranged compactly and be significantly shorter than the multigene set. The second condition is necessary to facilitate sequencing and extension of taxons under analysis, the number of which is also crucial for molecular phylogenetic analysis. Such regions have been revealed for some groups of animals and have been designated as "lucky genes". We have carried out a computational experiment on analysis of 41 complete chloroplast genomes of flowering plants aimed at searching for a "lucky gene" for reconstruction of their phylogeny. It is shown that the phylogenetic tree inferred from a combination of translated nucleotide sequences of genes encoding subunits of plastid RNA polymerase is closest to the tree constructed using all protein coding sites of the chloroplast genome. The only node for which a contradiction is observed is unstable according to the different type analyses. For all the other genes or their combinations, the coincidence is significantly worse. The RNA polymerase genes are compactly arranged in the genome and are fourfold shorter than the total length of protein coding genes used for phylogenetic analysis. The combination of all necessary features makes this group of genes main candidates for the role of "lucky gene" in studying phylogeny of flowering plants.     

Gene trees and species trees – mutual influences and interdependences of population genetics and systematics

Both population genetics and systematics are core disciplines of evolutionary biology. While systematics deals with genealogical relationships among taxa, population genetics has mainly been based on allele frequencies and the distribution of genetic variants whose genealogical relations could for a long time, due mainly to methodological constraints, not be inferred. The advent of mitochondrial DNA analyses and modern sequencing techniques in the 1970s revolutionized evolutionary genetic studies and gave rise to molecular phylogenetics. In the wake of this new development systematic approaches and principles were incorporated into intraspecific studies at the population level, e.g. the concept of monophyly which is used to delineate evolutionarily significant units in conservation biology. A new discipline combining phylogenetic analyses of genetic lineages with their geographic distribution ('phylogeography') was introduced as an explicit synthesis of population genetics and systematics. On the other hand, it has increasingly become obvious that discordances between gene trees and species trees not only result from spurious data sets or methodological flaws in phylogenetic analyses, but that they often reflect real population genetic processes such as lineage sorting or hybridization. These processes have to be taken into account when evaluating the reliability of gene trees to avoid wrong phylogenetic conclusions. The present review focuses on the phenomenon of non-phylogenetic sorting of ancestral polymorphisms, its probability and its consequences for molecular systematics.     

Phylogeny, Genome Evolution, and Host Specificity of Single-Stranded RNA Bacteriophage (Family Leviviridae)

Bacteriophage of the family Leviviridae have played an important role in molecular biology where representative species, such as Qβ and MS2, have been studied as model systems for replication, translation, and the role of secondary structure in gene regulation. Using nucleotide sequences from the coat and replicase genes we present the first statistical estimate of phylogeny for the family Leviviridae using maximum-likelihood and Bayesian estimation. Our analyses reveal that the coliphage species are a monophyletic group consisting of two clades representing the genera Levivirus and Allolevivirus. The Pseudomonas species PP7 diverged from its common ancestor with the coliphage prior to the ancient split between these genera and their subsequent diversification. Differences in genome size, gene composition, and gene expression are shown with a high probability to have changed along the lineage leading to the Allolevivirus through gene expansion. The change in genome size of the Allolevivirus ancestor may have catalyzed subsequent changes that led to their current genome organization and gene expression. Received: 3 March 2000 / Accepted: 17 October 2000     

A CANDID ASSESSMENT OF SYSTEMATICS IN THE LAMINARIALES: MUDDLED MORPHOLOGIES AND SKETCHY SEQUENCES

Algae of the Alariaceae, Laminariaceae and Lessoniaceae are the largest, most complex, and, arguably, most fascinating of the seaweeds. It is, therefore, a profound paradox that these species remain in taxonomic chaos despite the contemporary emphases on systematics. Setchell and Gardner established the classification system in 1925, recognizing these families on the basis of clear morphological features. At that time, however, they acknowledged that some species had features consistent with placement in two families, or that obscured logical placement in any of the families. Ironically, the problems noted by Setchell and Gardner have been ignored and the system has become entrenched in kelp literature. Initial molecular studies highlighted the shortcomings noted by Setchell and Gardner, and further indicated that little of the morphology-based system was natural. It was obvious that the diagnostic morphological features, presence or absence of sporophylls and ontogenetic splitting, were 'noisy' being gained and lost independently many times in kelp evolution. Despite the insights of the initial molecular studies, they had limitations and key relationships remained unresolved. The investigations used the Internal Transcribed Spacers (ITS) of the ribosomal cistron that have phylogenetic limitations owing to their short length, which is exacerbated by the many variable regions that can't be aligned confidently and must be removed prior to phylogenetic analyses. Many molecular publications have appeared subsequent to the first ITS results, and their contribution towards elucidating kelp phylogeny will be assessed. Current investigations using the Large Subunit ribosomal DNA (LSU) for kelp systematics will also be discussed.