Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 叶城沙蜥线粒体基因组特征及基于ND4基因的谱系地理学研究 | |
| 其他题名 | The Characteristics of Mitochondrial Genome of the Yarkand Toad-headed Agama and Its Phylogeography Inferred from ND4 Gene Segments |
| 李俊 | |
| 出版年 | 2013 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 王跃招 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 线粒体基因组的研究一直是生物进化、遗传学、系统学等领域的热点之一，有重要的理论和实践意义。有关鬣蜥科线粒体基因组全序列的研究发现，在亚科水平有特异性特征，比如鬣蜥亚科tRNA-Pro发生易位。其中，有关沙蜥属线粒体基因组特征的研究尚无报道。谱系地理学对于从种群水平上阐述遗传谱系的格局和演化历史有重要意义，可以揭示地质事件和环境气候变化对种群分化和历史动态的影响。叶城沙蜥分布于塔里木盆地及周边的吐鲁番—哈密盆地和敦煌盆地，高度适应干旱荒漠环境。本论文从个体、部分和整个分布范围三个层次分别开展叶城沙蜥线粒体基因组特征、遗传分化和谱系地理学研究。主要研究结果如下：1. 叶城沙蜥线粒体基因组结构 采用PCR扩增、分子克隆和步移测序等方法获得叶城沙蜥线粒体基因组全序列，全长17937 bp，包含13种蛋白编码基因（ATP6, ATP8, CO I-III, ND1-6, ND4L和Cyt-b），22种tRNA基因、2种rRNA基因和1个控制区。与多数脊椎动物线粒体基因组一样，除ND6和8种tRNA（tRNA-Gln, tRNA-Ala, tRNA-Asn, tRNA-Cys, tRNA-Tyr, tRNA-Ser（UGA）, tRNA-Glu和tRNA-Pro）由轻链编码之外，其余的基因均由重链编码。其中重链编码的所有基因的碱基平均组成为：36.4% A，26.0% T，12.3% G，25.4% C。有7个区域共计31个碱基的基因间隔和10个区域共计71个碱基重叠。与脊椎动物典型的tRNA基因簇IQM不同，叶城沙蜥线粒体基因组中该部分的结构为QIM。与鬣蜥科其它物种类似，控制区变异较大，而在结构上与前者有明显不同。控制区全长2814 bp，由两部分组成：一部分（Part I）位于tRNA-Thr和tRNA-Pro基因之间；另一部分（Part II）则插入tRNA-Phe和12S rRNA基因之间；Part II中包含17个77 bp的串联重复序列（Tandem Repeat Unit）和一个不完全的重复序列。另外，在控制区Part I中识别了一个保守序列片段CSB-1，位于第17726-17749 bp，序列信息为“TCTTTTCATGCTCGTTAGACATAT”。根据在Part I识别的模体（Motif）“TACAT”及其反向互补序列“ATGTA”识别了一个扩展终止相关序列ETAS-1，位于第17195-17253 bp。由于控制区的变化，也使得该种线粒体基因组从tRNA-Thr基因到12S rRNA基因之间发生基因重排，包括：tRNA-Pro基因易位至控制区内部；tRNA-Phe并未如鬣蜥科其它物种一样与12S rRNA基因相邻而是在两者之间插入了控制区Part II。在tRNA二级结构中，tRNA-Cys和tRNA-Ser（GCU）缺失DHU臂，这与鬣蜥科其它物种线粒体基因组一致。作为沙蜥属第一个线粒体全序列的代表物种，可为研究该属其它物种线粒体基因组提供重要参考，有利于从线粒体基因组角度研究该属系统发生和生物地理。此外，从叶城沙蜥的线粒体基因组中筛选出了一段易于扩增和测序的序列ND4-tRNALeu，以备用于种群遗传多样性研究。2. 新疆东部叶城沙蜥五个居群线粒体ND4-tRNALeu基因序列变异与遗传分化 选用ND4-tRNALeu片段研究新疆东部达坂城（DB）、吐鲁番（TU）、鄯善（SS）、柳树泉（HL）和哈密东郊（HD）的叶城沙蜥五个居群遗传分化。采用PCR方法获得五个居群、共66个个体的ND4-tRNALeu序列，比对得到838 bp位点，29个变异位点定义了17种单倍型。除DB居群外，其余居群单倍型多样性较高（0.600±0.113 ≤ h ≤ 0.922±0.012）而核苷酸多样性较低（0.00082±0.00020 ≤ π ≤ 0.00917±0.00037）。系统发育分析支持五个居群形成clade I（DB+TU+SS）和clade II（HL+HD）两个分支，单倍型网络图也支持五个居群有明显的地理结构。分子变异分析表明81.67%（p < 0.01）的遗传分化来自于五个居群之间，而距离隔离分析显示各居群之间的遗传分化（FST）与居群间地理距离无显著相关（r = 0.5324, p = 0.1196）。歧点分布分析和Fu’s Fs 检验显示TU和HL居群可能经历过近期种群扩张，而SS和HD居群相对稳定。DB居群特殊的栖息生境及遗传多样性的匮乏揭示该种群可能处于瓶颈期。推测更新世以来研究区域的地质、气候变动引起的叶城沙蜥栖息地的变化以及遗传漂变共同导致了五个居群的遗传分化。由上可知，ND4-tRNALeu基因片段适合探讨叶城沙蜥遗传谱系的格局和演化历史。3. 基于线粒体ND4-tRNALeu基因的叶城沙蜥谱系地理学研究 已有研究表明，天山对中国西北部的物种分布有重要的地理阻隔效应。然而，近来有关叶城沙蜥谱系地理学的研究对天山支脉库鲁克塔格和觉罗塔格的阻隔效应提出了质疑。本研究采用与先前研究相同的基因片段ND4-tRNALeu，运用分区贝叶斯系统发育与松散分子钟同时估算的方法，联合种群遗传学、景观遗传学和生态位模拟等方法重新评价叶城沙蜥的谱系地理格局及其成因。 PCR扩增得到367条ND4-tRNALeu基因序列，并从GenBank下载9条序列，从而地理采样覆盖叶城沙蜥的整个分布区。序列比对得到838 bp，共100个单倍型。与先前结果不同，叶城沙蜥由两大异域分布的分支组成 (Clade I和Clade II)，其中Clade I包括来自吐哈盆地和敦煌盆地的单倍型，Clade II来自塔里木盆地。从分布区地貌特点看，这两大分支被天山向东延伸的支脉库鲁克塔格和觉罗塔格隔开。两大分支的分化时间约为0.98 Ma（95% CI: 0.55 – 1.49 Ma），基本对应天山2.1 Ma – 0.73 Ma的构造隆升。两大分支又有明显的亚结构：Clade I 分化为三个地理上不重叠的支系（A – C），分别对应于敦煌盆地、哈密凹陷和吐鲁番凹陷；而Clade II分化为8个地理上不重叠的支系（D – K）。这种系统地理格局也得到NCPA, AMOVA和景观遗传分析（MDS和AIS）的支持。BARRIER分析也支持以上遗传格局及潜在的遗传边界：即存在一个最初的分化，使叶城沙蜥分化为塔里木盆地支Clade II以及盆地周边支（吐哈盆地、敦煌盆地）Clade I；随后两大分支在各自的地理区域内独立演化而形成现今的分布格局。 Clade II的最近共同祖先约为0.73 Ma，且D – K各分支的最近共同祖先在0.14 – 0.38 Ma之间，与倒数第二次冰期前的间冰期相吻合，推测塔里木盆地内片段化的分布格局主要是由于间冰期气候导致的栖息生境的片段化（即绿洲的发育）而引起。Clade I的起源时间以及各分支的最近共同祖先与Clade II接近。但在Clade I (吐哈盆地、敦煌盆地)，其分布格局的形成可能是受气候振荡引起的栖息地片段化和构造运动形成的地理障碍（如了墩突起、北山）以及距离隔离效应等因素共同作用的结果。此外，生态位模拟分析表明Clade I和Clade II具有显著的生态位分化。可见，除了天山的构造隆升和冰期循环，生态因子（降雨量和温度）对叶城沙蜥的谱系地理格局也起了重要影响。歧点分布分析以及基于溯祖理论的贝叶斯轮廓图分析表明，晚更新世以来的气候波动触发的沙漠和绿洲之间动态收缩和扩张间接地导致了叶城沙蜥各支系种群动态随之变化。 综上所述，历史因素（地质和气候变化）和生态因素的共同作用导致了叶城沙蜥的支系分化、谱系地理格局以及局部遗传结构的形成。借助生态位模拟以及多位点联合分析有望对叶城沙蜥种群分化机制、基因流、甚至亚种界定有更深入的理解。 |
| 英文摘要 | The research on mitochondrial genome has been one of the hotspots of biological evolution, genetics and phylogenetic systematics, which has significant implications in both theory and practice. The mitochondrial genome of the lizards of Agamidae is characteristic of lineage-specific gene rearrangements, such as the translocation of tRNA-Pro gene in the subfamily Agaminae. So far, no data of complete mitochondrial genome has been reported from Phrynocephalus species. Phylogeography is a discipline focusing on exploring spatial genetic pattern and evolutionary history at the intraspecific level, which may unravel the role of tectonic events and climate changes in shaping population divergence and past population dynamics. The Yarkand toad-headed agama, Phrynocephalus axillaris is endemic to Tarim Basin and its adjacent Turpan-Hami Basin and Dunhuang Basin. This species shows high fidelity to sand dune and desert. From three hierarchical levels, i.e. individual, partial distribution region and range-wide, the characteristics of mitochondrial genome, genetic diffrentiation of some populations and range-wide phylogeography of P. axillaris were explored, respectively. Accordingly, this dissertation falls into three parts. The main results are as follows. 1. The characteristics of mitochondrial genome of P. axillaris The complete mitochondrial genome of the Yarkand toad-headed agama Phrynocephalus axillaris, the first one from the genus Phrynocephalus, was determined by PCR and the primer-working sequencing. The total length of this complete mitogenome was 17937 bp, containing 13 protein-coding genes, 2 rRNA genes, 22 tRNA genes and 1 D-loop (CR). Similiar to the mitochondrial genome of the typical vertebrate, most genes were encoded on the H-strand with the expection of one protein-coding gene (ND6) and eight tRNA genes (tRNA-Gln, tRNA-Ala, tRNA-Asn, tRNA-Cys, tRNA-Tyr, tRNA-Ser, tRNA-Glu, and tRNA-Pro). The overall base composition of the H-strand was 36.4% A, 26.0% T, 25.4% C, and 12.3% G. For the complete mitochondrial sequences, there were ten regions of gene overlap totaling 71 bp and seven intergenic spacer regions totaling 31 bp. The 22 tRNA genes were interspersed along the genome, with a size ranging from 55 to 74 bp. Different from the tRNA gene cluster IQM in the typical mitochondrial gemone, this part was rearranged as QIM in P. axillaris. D-loop was 2814 bp in length, being the most variable region of the mitochondrial genome such as other Agamidae lizards. Nonetheless, different from other Agamidae lizards in the structure of D-loop, this region of P. axillaris mitogenome consisted of two parts, with Part I existing between the tRNA-Thr gene and tRNA-Pro gene and Part II inserting between the tRNA-Phe and 12S rRNA. In Part II, there existed 17 complete copies of 77-bp tandem repreats and one imcomplete copy. In Part I, one conserved sequence (CSB-1) was identified with a motif “TCTTTTCATGCTCGTTAGACATAT” and two pair motifs, “TACAT” and its inverted and complemented sequence “ATGTA” was found in the domain of extended termination-associated sequence (ETAS-1). Gene rearrangements could be detected in the region from tRNA-Thr gene to 12S rRNA gene, including tRNA-Pro gene translocated in D-loop and tRNA-Phe gene seperated from 12S rRNA with the inverting of D-loop’s Part II. |
| 中文关键词 | 叶城沙蜥 ; 线粒体基因组 ; 谱系地理格局 ; 天山 ; 塔里木盆地 |
| 英文关键词 | Phrynocephalus axillaris Mitochondrial genome |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 动物学 |
| 来源机构 | 中国科学院成都生物研究所 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287194 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李俊. 叶城沙蜥线粒体基因组特征及基于ND4基因的谱系地理学研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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