蕨类植物叶绿体rps12基因的分子进化研究

以68种蕨类植物和2种石松类植物的rps12基因为对象,在系统发育背景下,结合最大似然法,使用HyPhy和PAML软件对该基因进行进化速率和适应性进化研究。结果显示:位于IR区的外显子2~3,其替换率明显降低,rps12基因编码序列的替换率也随之降低,且rps12基因密码子第3位的GC含量明显升高;在蕨类植物的进化过程中,3′-rps12更倾向定位于IR区,以保持较低的替换率;rps12基因编码的123个氨基酸位点中,共检测到4个正选择位点和116个负选择位点。研究结果表明基因序列进入到IR区后,显示出降低的替换率;强烈的负选择压力表明RPS12蛋白的高度保守性以及rps12基因的功能和结构已经趋于稳定。     

蕨类植物叶绿体rps4基因的适应性进化分析

在原核生物和植物叶绿体中,RPS4(ribosomal protein small subunit4)在核糖体30S小亚基形成起始过程中发挥重要作用;该蛋白在植物中由叶绿体rps4基因编码。为验证蕨类植物在白垩纪适应被子植物兴起而发生分化的观点,本文以23种蕨类植物为研究对象,利用分支模型、位点模型和分支位点模型对其叶绿体rps4基因进化适应性进行分析。分支模型检测到4个可能存在正选择的分支;位点模型和分支位点模型虽然没有检测出正选择位点,但是位点模型检测出了85个负选择位点。通过研究我们仅仅得出a、b两个代表水龙骨类的分支处于正选择压力下,这与水龙骨类在白垩纪发生辐射式演化的理论相一致。同时rps4基因处于强烈的负选择压力这一事实表明该基因的功能与结构已经趋于稳定。     

蕨类植物rpoC1内含子缺失及其分子进化速率

rpoC1基因编码RNA聚合酶β￠亚基蛋白,在转录过程中与DNA模板结合,与β亚基形成的β-β￠亚基复合体构成RNA合成的催化中心。以rpoC1基因为研究对象,在贝叶斯因子大于20的条件下,用HyPhy软件位点模型检测到3个正选择位点和541个负选择位点;用PAML软件位点模型检测到10个正选择位点,其中3个位点的后验概率超过99%。此外,基于最大似然法构建64种蕨类植物的系统发育树,结合HyPhy软件分析rpoC1基因的转换率、颠换率、转换率/颠换率、同义替换率、非同义替换率以及同义替换率/非同义替换率,探讨rpoC1基因内含子丢失与分子进化速率的关系。结果表明, rpoC1基因内含子缺失对转换率、颠换率以及非同义替换率有一定影响。     

蕨类植物psbD基因的适应性进化和共进化分析

D2蛋白是植物光系统Ⅱ复合体（PSⅡ）核心蛋白之一,由叶绿体psbD基因编码。为了深入理解核心薄囊蕨类植物在阴生环境下的“辐射”式演化,我们对12种蕨类植物的psbD基因进行了克隆和测序,然后联合已公布的其他8种蕨类植物的psbD序列,基于ω值（非同义替换率ds和同义替换率ds的比值）探讨了该基因经受的选择压力。发现D2蛋白在大多数分支和位点受到强烈的负选择,但是树蕨类分支的psbD进化速率低且ω值较高。借助多种模型进行的共进化分析显示,树蕨类D2蛋白的168R、245H和272M两两组成具有共进化关系的氨基酸位点对。     

蕨类植物rpoC1内含子缺失及其分子进化速率

rpoC1基因编码RNA聚合酶β°亚基蛋白, 在转录过程中与DNA模板结合, 与β亚基形成的β-β°亚基复合体构成RNA合成的催化中心。以rpoC1基因为研究对象, 在贝叶斯因子大于20的条件下, 用HyPhy软件位点模型检测到3个正选择位点和541个负选择位点; 用PAML软件位点模型检测到10个正选择位点, 其中3个位点的后验概率超过99%。此外, 基于最大似然法构建64种蕨类植物的系统发育树, 结合HyPhy软件分析rpoC1基因的转换率、颠换率、转换率/颠换率、同义替换率、非同义替换率以及同义替换率/非同义替换率, 探讨rpoC1基因内含子丢失与分子进化速率的关系。结果表明, rpoC1基因内含子缺失对转换率、颠换率以及非同义替换率有一定影响。     

哺乳动物cd59基因的进化

采用PCR以及BLAST方法从5种哺乳动物中获得了cd59基因的编码区序列, 结合 GenBank中已有的序列, 计算cd59基因在哺乳动物中的核苷酸替换速率. 对非同义替换速率和同义替换速率进行比较的结果显示, cd59在哺乳动物中总体上受到负选择作用; 用PAML软件“位点-特异”模型检测到4个受到正选择作用的位点, 4个位点分布于分子表面, 其中2个位于功能重要的区域; 此外, 用“支-位点-特异”模型在小鼠通过基因复制后形成的cd59a和cd59b上检测正选择引起的加速进化, 并检测到该支系特异的正选择位点1个.     

蕨类植物叶绿体基因ycf94的分子进化研究

ycf94基因是近年来在叶绿体基因组中新发现的一个基因,在蕨类植物中表现高度保守。该研究共选取94种蕨类植物,在系统发育背景下,对ycf94基因的结构特征、密码子偏好性、进化速率和适应性进化进行分析。结果表明, ycf94基因的密码子偏好性较弱,偏好使用以A/U结尾的密码子,且不同物种间的偏好性存在一定差异。密码子偏好性的形成主要受到突变压的影响,同时也存在其他因素的作用;基于凤尾蕨科和其他蕨类中ycf94基因的结构特征存在区别,对两者的分子替换速率进行了比较,表明颠换率、非同义替换率和ω值间存在显著差异;仅检测出1个正选择位点74A,强烈的负选择作用表明ycf94基因的结构和功能基本趋于稳定。这为蕨类系统发育分析提供了新依据,并提供了解析ycf94基因功能的线索。     

蕨类植物psaA基因的分子进化研究

采用“放松分子钟”模型、氨基酸位点正选择模型和分子内共进化网络估算方法,对蕨类植物光合系统Ⅰ核心蛋白PSAA编码基因psaA的进化趋势进行了研究。结果显示,叶绿体基因psaA编码区全序列具备成为蕨类植物系统发育关系重建位点的潜力,与rbcL基因联合后能构建高后验概率的系统发育树;蕨类植物的PSAA蛋白中存在一些曾经历正选择的氨基酸位点,其中29个位点聚合成为16个共进化组,通过共进化网络的方式协同影响光合系统Ⅰ的内部调整,提升其在被子植物兴起后光合环境下的适应能力。本文对蕨类植物进化潜能与分子机理的研究结果为揭示蕨类植物适应新生境提供了科学依据,也为植物系统分类学研究提供了分子依据。     

40种蕨类植物matK基因的系统分类及分子进化研究

采用“放松分子钟”模型、氨基酸位点正选择模型和分子内共进化网络估算方法,对蕨类植物Ⅱ型内含子成熟酶蛋白K(Maturase K,MATK)编码基因matK的进化趋势进行研究。结果显示:matK基因在蕨类植物系统学研究中具有一定的应用价值,与rbcL基因和psaA基因联合后能显著提升系统发育树的可信度;蕨类植物MATK蛋白中存在少数曾经历正选择的位点;MATK蛋白内部有多对氨基酸位点共同构成共进化网络。在被子植物兴起环境改变后,MATK蛋白部分位点发生适应性进化,通过位点间共进化网络协同作用方式提升蕨类植物对新光合环境的适应能力。     

念珠藻属植物hetR基因的适应性进化分析

以念珠藻属(Nostoc)及其近缘类群hetR基因的51条序列为研究对象,对hetR基因的编码蛋白进行生物信息学分析和系统发育分析,并使用分支模型、位点模型和分支-位点模型进行该基因位点的适应性进化研究。系统发育分析结果显示,51条hetR基因蛋白序列可分为4个大分支。适应性进化分析结果表明,在3种进化模型中,大多数分支及藻株都没有检测到统计学上具有显著性的正选择位点,说明检测的位点大多处于负选择压力下。但在普通念珠藻(Nostoc commune,CHAB2802)中检测到正选择位点(126T),提示念珠藻属植物hetR基因发生了适应性改变。     

一种在核苷酸水平检测自然选择的新方法

非编码区序列在基因表达调控中起着重要作用,但其在进化过程中是否受到选择作用一直较难检测。最近有一些研究使用平均的核苷酸替换速率与中性序列的核苷酸替换速率的比值(ω)作为检测非编码区总体受选择作用的指标;但是对于非编码区而言,了解具体哪些核苷酸受到选择作用更具有意义。我们借鉴Nielsen&Yang(1998)检测单个氨基酸位点是否受选择作用的思路,在最大似然法的模型下,提出一种在核苷酸位点水平上对自然选择作用检测的方法。本方法能够检测在进化过程中对功能分化有重要贡献的核苷酸位点,包括编码和非编码区。将此方法应用于熟知的受到正选择作用的蛋白编码基因序列(HIV-1包装蛋白基因编码区),均能够检测到那些已知的受到正选择的核苷酸(密码子)位点,说明此方法可以有效地在核苷酸位点水平检测选择作用;又将此方法应用于非编码区(CTGF基因5′UTR),也得到了良好的结果。     

Tol2转座子介导斑马鱼rps26基因附近增强子捕获及注解分析

随着人类等生物大规模基因组测序工作的完成,认识和理解基因组上表达调控元件成为后基因组时代的重要研究任务,增强子捕获技术是一种鉴定基因组上增强子元件及其对基因表达调控机制的有效方法。本研究选择Tol2转座子系统介导制备的稳定增强子捕获品系TK4系(头部和躯干特异性GFP表达),利用Splinkerette PCR(sp-PCR)、原位杂交和比较基因组学等技术手段进行所捕获增强子的解析研究。将TK4系的F1代与野生型斑马鱼杂交,收集受精卵,于6 hpf(Hour post fertilization)、24 hpf、48 hpf、3 dpf(Day post fertilization)、4 dpf、5 dpf六个发育阶段通过荧光显微镜检测绿色荧光蛋白报告基因的表达模式;然后通过sp-PCR方法克隆到Tol2转座子插入位点斑马鱼基因组侧翼序列,经比对分析表明插入位点位于基因组23号染色体27749253位置,在rps26基因的intron1中,且报告基因插入方向与基因方向相反。在插入位点100 kb的基因组范围内有7个基因,分别为arf3a、wnt10b、wnt1、rps26、IKZF4、dnajc22和lmbr1l。通过VISTA程序对不同脊椎动物基因组同源序列比对结果显示,在rps26基因下游有2个潜在保守的非编码序列区CNS1(Conserved non-coding sequence)和CNS2,为可能的增强子元件。胚胎原位杂交表明:rps26基因的两个转录本有母源性表达,rps26-201在合子中的表达早于rps26-001,而TK4系斑马鱼的GFP在早期(6 hpf)不表达,后期rps26与GFP的表达模式既存在相似性,也存在差异性,提示两者可能既接受共同的增强子调控,但也存在不同增强子调控,所获得的2个潜在的增强子(CNS1和CNS2)可能对附近的基因(包括rps26)发挥差异的时空表达调控作用。本研究首次成功获得rps26基因附近2个潜在增强子,为深入研究这两个增强子对基因组附近基因的表达调控机制奠定基础,本研究所采用的结合技术手段也为增强子解析提供参考。     

蕨类植物rbcL基因正选择和负选择位点的鉴定

基于分支模型、位点模型及分支-位点模型对蕨类的rbcL基因所受到的选择压力进行了分析.结果显示:分支模型下检测到大部分分支处于负选择,仅4个分支处于正选择压力下,并且仅2分支具有统计上的显著性;在位点模型下,通过比较模型M1a/M2a和M7/M8,在氨基酸水平上模型M2a和模型M8均鉴定出98L位点被正选择;在模型M8下,鉴定负向选择位点共228个,占总序列的83.82%,从而揭示出负选择对rbcL基因的进化起着非常重要的作用;在分支位点-模型c下鉴定出262A被正选择.98L、262A位点分别位于rbcL羧基末端α/β桶结构域的第3和第8个α螺旋上.蕨类通过该结构域的适应性进化,适应白垩纪被子植物兴起而引发的陆地生态系统改变,研究结果为以后实验分析提供了首选位点.     

酿酒酵母中亚硫酸盐转运基因SSU1的分子进化分析

SSU1基因是涉及亚硫酸外排及SO₂耐受性的重要因素之一。为了研究酿酒酵母(Saccharomyce cerevisiae)中SSU1对SO₂耐受性及其分化机制, 文章探讨了SSU1基因在酿酒酵母中的遗传特征及进化规律。基于SSU1基因序列的聚类分析表明, 酿酒酵母群体可通过该基因分为3个亚群, 且与其分离的地理位置无关; 基于群体数据的McDonald-Kreitman 检验表明, SSU1基因在酿酒酵母中受到适应性选择的作用; Ka/Ks检验表明, 在酿酒酵母中, 不同的亚群间有Ka/Ks显著大于1 的值, 且PAML的支系模型检验到正选择作用在群体中特定的支系上; PAML的支系-位点模型检验获得9个潜在正选择作用位点, 其中有4个发生在受正选择作用的特定支系中; 基于ssu1p蛋白结构的分析表明, 在特定支系存在的正选择作用位点中, 除345(R/K)位点上两氨基酸替换均为碱性氨基酸外, 其他3个位点均是极性氨基酸/疏水性氨基酸之间替换, 考虑不同区域的氨基酸pKa值对其维持正常的功能有着重要的作用, 在该类位点的替换可能影响到ssu1p蛋白对SO₂的转运作用。     

弯枝藻属rbcL基因的适应性进化分析

为探讨淡水红藻的叶绿体基因及其适应性进化特征,选取弯枝藻属(Compsopogon)及相近外类群的rbc L基因共17条,利用PAML 4.9软件,对弯枝藻属rbc L基因编码蛋白进行生物信息学分析,并分别采用分支模型、位点模型以及分支-位点模型对基因的选择位点进行检测。结果表明,弯枝藻属rbc L基因编码蛋白的二级结构主要由α螺旋和β折叠构成,结构稳定。采用最大似然法构建的系统发育树表明,内类群为单一物种,分为3个小分支,具有一定地理分布规律。在3种进化模型中均未检测到统计上显著的正选择位点,表明绝大多数位点处于负选择压力下。因此,弯枝藻属rbc L基因未发生适应性进化。     

黄麂Mhc-DRB 基因多态性及其维持机制

利用牛DRB3 特异性引物(LA31 和LA32),通过聚合酶链式反应(PCR)、单链构象多态性(SSCP)以及克隆测序技术,从12 只黄麂个体中共获得20 个DRB 第二外显子等位基因,其中6 个个体具有3 ～ 4 个等位基因,提示利用该引物从黄麂中至少可以扩增出2 个DRB 位点。所有序列均无插入、缺失和终止密码子。基于序列比对(与牛DRB3 和鹿科DRB 基因同源性非常高),以及所检测到的氨基酸变异位点主要位于抗原结合区,推测本文所获得的黄麂序列为表达的、且具有重要功能的DRB 位点。抗原结合区氨基酸位点的非同义替换(d_N )显著大于同义替换(d_S )(P < 0.01),说明历史上黄麂DRB 基因经历过正选择作用。CODMEL 程序中的模型M7 和M8 似然比检测(Likelihood ratio test,LRT)结果同样支持上述推论。进一步利用经验贝叶斯法准确地检测出6 个受正选择作用的氨基酸位点(位点11、37、61、67、71、86),其中的5 个位点位于PBR 区。因此,正选择作用可能是维持黄麂DRB 基因多态性的主要机制之一。基于DRB 外显子2 序列利用邻接法(NJ)
构建了部分偶蹄动物系统发生关系,在NJ 树上,黄麂DRB 基因与其它鹿科动物DRB 基因呈镶嵌式分布,提示跨物种进化是维持黄麂DRB 基因多态性的另一重要机制。此外,黄麂两个等位基因(Mure-DRB1 和Mure-DRB11)和马鹿的两个等位基因(Ceel-DRB34 和Ceel-DRB46)与牛科的等位基因构成一个独立的进化枝,说明黄麂和马鹿的某些DRB 基因具有非常古老的谱系。     

杨树叶绿体3′rps12基因,rps7基因和ndhB基因片段的克隆及序列分析

通过烟草叶绿体相关序列设计引物 ,从杨树的叶绿体基因组中克隆出 2个相邻的DNA片段 .经分析发现 ,这 2个DNA片段包含核糖体蛋白 3′rps12、rps7基因和NADH脱氢酶第二亚基ndhB基因片段 .利用DNAMAN等软件 ,将扩增到的杨树叶绿体DNA片段与烟草、拟南芥、玉米和黑松的相关序列进行比较 ,证实所扩增的片段具有较高的保守性 ,尤其是在这 3个基因的编码区 ,同源性均在 90 %以上 .插入或缺失常发生在基因间隔区 ,同源性在 80 %左右 ;对其编码区所推导的氨基酸序列进行了比较 ,同源性均在 92 %以上 .首次克隆了杨树叶绿体的部分DNA序列 ,详细报道并分析了杨树 3′rps12、rps7基因和ndhB基因片段及其边界序列信息 .所报告的基因序列均已登录GenBank .     

角类肥蛛Larinioides cornuta组蛋白H3基因保守序列克隆与分析

本文利用常规的PCR技术,克隆、测序园蛛科Araneidae角类肥蛛Larinioides cornuta组蛋白基因H3.将其H3基因与皿蛛科Linyphiidae 11个种的组蛋白H3基因的序列,在1级结构、2级结构、蛋白质水平进行了比较,分析发现:组蛋白基因H3的序列A、T、C、G碱基的百分含量比较平均,分别为24.9%、23.2%、25.7%、26.3%;简约信息位点数74,多数分布在第3位点;平均替换率为0.15.平均转换/颠换比(R)为1.8,大于0.5;G-C, C-T间的替换是该区域进化的另一个显著特征;DNA 1级结构高度保守的区段都不分布在2级结构"茎"区,不存在补偿性突变,2级结构的"环"(loop)区差异也很大;在氨基酸水平上所有成员非常保守.     

冬虫夏草菌3个细胞核蛋白编码基因的分子进化

【目的】分析3个细胞核蛋白编码基因(csp1、MAT1-1-1和MAT1-2-1)在不同冬虫夏草菌株间的分子进化。【方法】从125个冬虫夏草样品中分别扩增csp1、MAT1-1-1和MAT1-2-1基因序列,比较外显子和内含子间以及2个交配型基因间的序列变异程度,比较基于不同基因或基因区域所构建的系统发育树拓扑结构的差异,分析3个基因承受的选择压力和DNA重组情况。【结果】3个蛋白编码基因外显子区的长度在不同菌株间高度保守,具有4.5%?5.7%的变异位点;内含子区的长度在不同菌株间相同或不同,具有1.8%?22%的变异位点。对于2个交配型基因,MAT1-1-1的碱基变异率低于MAT1-2-1。基于外显子与内含子构建的系统发育树的拓扑结构,以及基于2个交配型基因外显子构建的系统发育树的拓扑结构都存在明显差异。3个蛋白编码基因都经历着净化选择作用。基因内部的不同DNA位点间有重组,但3个基因片段之间没有明显的重组发生。【结论】由于冬虫夏草菌不同基因以及基因的不同区域表现出进化上的差异,所以在开展冬虫夏草菌进化相关的研究时,应该联合使用多个不同的基因片段。     

基于形态和cpDNA序列探讨柽柳和甘蒙柽柳的亲缘关系

柽柳科植物的系统学关系已初步明确,但部分种间的系统进化关系仍有待澄清。为明确中国黄河流域广泛分布的柽柳(Tamarix chinensis)和甘蒙柽柳(T. austromongolica)的亲缘关系,利用13个稳定的形态学性状和3个cpDNA间隔区片段(rpl20-5′-rps12, rps16, trn L-trn F)对柽柳科3属9种植物进行研究,结果表明3条序列的位点变异程度依次为trn L-trn F>rps16>rpl20-5′-rps12,柽柳和甘蒙柽柳群体共享有同一单倍型,表型和分子数据均支持柽柳和甘蒙柽柳为单系分支的近缘种,推测柽柳和甘蒙柽柳的分化大致发生在0.69Ma (0-1.93) Ma,与同属内其它物种相比,分化时间相对较晚。