龟鳖目染色体进化及性别决定相关基因的基因组学研究
作者单位：上海海洋大学
学位级别：硕士
导师姓名：葛楚天;王宗吉
授予年度：2023年
摘 要：龟鳖目(Testudines)隶属于脊椎动物门(Vertebrata)爬行纲(Reptilia),是世界上最古老的爬行动物之一,其祖先最早可以追溯到两亿年前的半甲齿龟(Odontochelys semitestacea)。龟鳖目分为侧颈龟亚目(Pleurodira)与曲颈龟亚目(Cryptodira)两大分支,其物种多样且分布范围广。龟鳖物种间的染色体数目差别比较大(2n=26-68),这说明龟鳖目中存在广泛的染色体重排。龟鳖目的性别决定机制分为温度依赖型性别决定(temperature-dependent sex determination,TSD)和遗传性别决定(genetic sex determination,GSD),目前尚未在龟鳖目中鉴定出性别决定主控基因。破解TSD性别决定机制的关键在于研究如何将外界的温度信号转化为能够促使性腺分化的电信号,其中,瞬时受体电位(TRP)基因家族在这个过程中扮演关键角色。此外,Hox基因在龟鳖生殖系统的发育过程中发挥着重要的作用。因此,厘清龟鳖目的系统发育,染色体和相关基因的进化对于解析龟鳖的性别决定机制至关重要。本研究利用已发表的龟鳖多组学数据,从组学层面解析龟鳖目亲缘关系,(性)染色体演化,再对性别决定主控基因、TRP和Hox基因进行基因鉴定和进化分析。本文的研究发现罗列如下:(1)龟鳖目系统发育分析首先,基于28个龟鳖基因组序列的全局比对结果,以家鸡为外群构建系统发育树。再基于单拷贝直系同源基因,通过串并联法建树策略构建系统发生树,发现进化关系完全与全基因组进化树相同。通过计算龟鳖目内部物种的进化分歧时间,我们明确了龟鳖目的演化历史。龟鳖目祖先起源于2.5亿年前,在2亿年前分化成为侧颈龟亚目和曲颈龟亚目两大分支的祖先。鳖科祖先则在50万年前从鳖总科中分化出来。(2)龟鳖目染色体演化以及性染色体染色体起源分析基于比较基因组的研究方法,我们对11个组装质量达到染色体水平的龟鳖物种进行染色体演化研究。结果表明,硬壳曲颈龟科(Durocryptodira)的7、8、9和10号常染色体分别是由其祖先的两条常染色体融合形成的。鳖科(Trionychidae)物种的染色体核型则比较好的还原了其祖先状态。染色体重排直接导致了鳖科和硬壳曲颈龟科之间明显的染色体数目差异。此外,我们还发现鳖科物种(GSD)的性染色体与硬壳曲颈龟科(目前染色体水平的硬壳曲颈龟科物种都是TSD)和红腹侧颈龟的染色体片段高度同源,这证明中华鳖的性染色体是由常染色体进化而来。中华鳖Z和W性染色体GO富集结果表明,Z染色体上基因功能大都与生命活动直接相关,这证实Z染色体对维持生物生命活动的必要性。在与Z染色体保留着微弱同源性的同时,中华鳖W性染色体重复序列含量高达74.53%,显著高于常染色体和Z染色体的重复序列含量,这证实了经典的性染色体演化理论。(3)龟鳖目性别相关基因的进化分析我们使用PAML软件的分支模型和分支位点模型对脊椎动物性别决定主控基因、温度感受相关的瞬时电位受体(TRP)基因进行选择压力检测。结果表明,大多数脊椎动物性别决定主控基因在龟鳖中不存在,而所有的温度感受相关的TRP基因在龟鳖目中是保守的。除此之外,我们发现生长分化因子Gdf6在鳖科祖先分支发生了快速进化,雄激素受体Ar则发生了正选择;TRPV1、TRPV2和TRPV4基因在TSD物种祖先分支中发生了快速进化。虽然Hox基因在龟鳖物种中同样是高度保守的。但是非重复序列的缺失导致鳖科Hox B9-Hox B13基因间区相对硬壳曲颈龟科短了10 kb。此外,发现多个Hox基因在鳖科祖先分支发生了快速进化和受到正选择。同时,我们研究的性别决定相关基因普遍发生了分支特异的序列插入或者缺失现象。综上,本研究以龟鳖目为研究对象,利用已知的性别决定相关基因和已发表的龟鳖目基因组数据,构建了准确的龟鳖目系统进化关系。此外,我们还发现了龟鳖目染色体演化的特征以及性染色体的起源,并推断出有些性别决定相关基因在TSD和GSD物种之间有着不同的进化速率,在特定分支中发生了正选择。我们从宏观和微观两个层面综合推断两种性别决定方式在遗传水平上的差异。本项目为后续龟鳖目性别决定机制的破译奠定理论基础,为龟鳖性控产业提供指导性研究。
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