凡纳滨对虾系统发生地位及适应性进化分析

【摘要】甲壳动物是节肢动物门下仅次于六足亚门包含物种最丰富的一类物种，凡纳滨对虾（Litopenaeusvannamei）则隶属于甲壳亚门的十足目，是目前海水虾类中产量最高的单一海水经济养殖物种。目前，大量的研究工作都主要集中在水产养殖、病害防治和遗传育种等方面，对于对虾的系统发生问题以及进化过程中的各种生物学问题却少有研究。随着二代测序技术的不断发展，各种虾类的基因组和转录组数据也不断释放，这为我们对对虾的系统发生学和进化生物学问题的研究提供了有力的数据支持。本研究论文基于海量基因组和转录组数据，对凡纳滨对虾在节肢动物门下的系统发生和分化时间，以及在甲壳动物亚门下的系统发生进行了深入分析，并对凡纳滨对虾进化过程中的适应性进化进行的深入研究。论文包括以下三个部分：1.凡纳滨对虾的系统发生地位研究我们从九种节肢动物的全基因序列中挑选出了19,982个基因家族，并从中找到了85个单拷贝基因用于节肢动物的系统发生分析。我们构建了一棵非常保守的系统发生树，修正了传统分子系统发生树之间产生的争议，说明这85个单拷贝基因可以作为很好的分子标记用于节肢动物系统发生分析。通过对分化时间的估计发现，甲壳动物的分化时期很早，大约在3.95亿年左右，而且从甲壳动物祖先分化形成水溞和对虾的过程中发生了大量基因家族的扩增和缺失，说明水溞与对虾之间存在巨大差异。凡纳滨对虾和斑节对虾的分化时间也较早，而且也存在大量的基因家族的扩增和缺失，说明两种对虾之间存在着较大差异，这进一步支持了《枝鳃虾类科属一世界对虾总科和樱虾总科虾类》专著中将对虾属的6个亚属提升至属级阶元的结论。此外，我们还发现两种对虾之间基因家族的扩增和缺失基本呈现一种“此消彼长”的关系，推测其与各自环境适应有关。其中细胞组成结构方面的基因家族的扩增对斑节对虾进化过程中环境适应非常重要，而神经系统方面基因家族在凡纳滨对虾的进化中相对扩增比较显著。我们开发了一种基于短串序列（K-strings）构建后生动物系统发生树的方法，找到了23,223个对构建进化树贡献最大的关键进化元件（keyK-strings）。该方法构建系统发生树不但能节省计算时间和空间，还能提升构树准确性，在物种分类方面优于其他方法。利用这种方法，我们构建了甲壳动物的系统发生树，结果显示凡纳滨对虾与美对虾属物种关系最近，而与对虾属斑节对虾关系相对较远，推测对虾各属的分化时间约在0.95亿年左右。此外，我们还提取到了427个甲壳动物关键进化元件keyK-strings。这些keyK-strings都位于其蛋白质序列的保守区，说明这些序列在漫长进化历史过程中，受到了进化选择压力而保留下来，并对物种的系统发生起着重要作用。2.凡纳滨对虾的水平基因转移研究水平基因转移事件的发生往往会使宿主获取新的性状和功能，以帮助宿主更好的适应新的环境。目前，越来越多的原核生物转移到真核生物的水平转移基因被报导，其中发现得最多的是在节肢动物中。通过对凡纳滨对虾的水平基因转移的研究，可以帮助我们了解对虾进化过程中的环境适应性机制。我们通过一系列方法对对虾全基因组范围内的水平基因转移事件进行了研究，最终找到了14个水平转移基因，其中有12个是细菌起源的，另外两个是真菌起源的。通过对这些基因的结构进行分析，我们发现两个真菌起源的水平转移基因上的内含子在转移到对虾基因组上后被替换成了对虾特异性的内含子，而两个细菌起源的水平转移基因中则发现有对虾特异性的内含子的插入。此外，我们还发现有三个大片段的外源序列插入到了对虾基因组上，其中的一个是一个完整的转座子序列，而另外两个则是以操纵子的形式同时转移到对虾基因组上的，而且其上面的非编码区序列在转移到对虾基因组的过程中都被去除了，由此可以推测成熟的mRNA才是这些水平转移基因发生转移的基质。此外，大部分的水平转移基因都受到了强烈的负选择压力，推测他们在对虾基因组上都是具有一定功能的。通过对14个水平转移基因进行功能预测发现，其中有6个基因与能量代谢有关，还有4个基因与防御机制有关。而且大部分的水平转移基因在对虾的幼体发育不同时期展现出了差异基因表达，因此它们在对虾的生长发育过程中起着重要的作用。基于这14个基因功能方面的各种表现，我们推测这些水平转移基因可能有利于提升对虾的能量代谢和防御机制。3、凡纳滨对虾适应性进化研究在自然选择的作用力下，不同的虾会各自进化出适应周边环境的适应性机制。这些适应性机制直观地以新表型或新的生物性状的形式展现出来，但其本质还是分子水平上的遗传物质在随着选择压力的作用而产生的变化。通过对转录组数据进行处理，我们获得了六种虾（凡纳滨对虾L.vannamei、中国明对虾Fenneropenaeuschinensis、斑节对虾Penaeusmonodon、罗氏沼虾Macrobrachiumrosenbergii、凯氏长额虾Pandaluslatirostris以及狭螯螯虾Astacusleptodactylu）平均约12,000条去冗余的编码基因序列，并进一步从中挑选出了1,669组直系同源基因。利用这些直系同源基因我们成功构建了一棵保守的系统发生树，该系统发生树与传统的形态学分类以及分子标记系统发生学分析的结果一致。我们分别以三种对虾和两种真虾作为前景枝，探讨对虾和真虾在进化过程中的适应性机制差异；还分别以四种海水虾和两种淡水虾分别作为前景枝，探讨其在各自的水环境下的适应性机制。我们分别在对虾和真虾中找到了231个和110个正选择基因。基因富集的结果显示对虾的正选择基因主要富集在跟核糖体合成、生物膜的组成以及应激反应等相关的功能中。正选择基因在核糖体合成及蛋白质翻译过程上的富集，推测对虾在蛋白质合成上受到较强的正选择作用；而在生物膜的组成上的富集，推测其可能是随蛋白质合成方面基因的正选择作用而产生的一种共同适应性进化的过程。对虾的正选择基因在应激反应相关的功能中富集正好与关于对虾拥有最快的生物信号冲动传导速度的观点不谋而合，说明对虾在面对应激因子刺激过程中逐渐产生出了较强的应激反应适应性。真虾的正选择基因则主要富集在甲基化相关的分类中，推测真虾可能通过甲基化修饰来提高其环境适应性。通过分别以海水虾和淡水虾作为前景枝，我们分别找到了174个和360个正选择基因。渗透调控是虾类水环境适应过程中非常重要的一个生物学过程。我们从这些正选择基因中找到了海水虾中两个正向调控渗透作用的基因NKA和NKCC，它们都能有效的维持细胞较高的钠钾离子渗透梯度，提高海水虾在高盐环境的适应能力。此外，在淡水虾中也找到了一个负调控渗透作用的基因RhoGDI，它能有效的调整细胞内离子浓度，以维持细胞在淡水环境下的生存。因此，我们认为这些正选择基因中确实存在一些跟渗透调节有着直接关系的基因，它们分别有利于提升海水虾和淡水虾在各自的水环境中的适应性机制。
【作者】袁剑波；
【导师】相建海；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（海洋研究所），海洋生物学，2014，博士
【关键词】凡纳滨对虾；系统发生学；水平基因转移；适应性进化；基因组；

【参考文献】
[1]文香.猪肉质量安全溯源系统参与主体的激励机制研究[D].哈尔滨工业大学,行政管理,2014,硕士.
[2]夏月.我国金融业与实体经济非协同发展关系研究[D].重庆大学,区域经济学,2014,硕士.
[3]赵瑞芳.不同条件下玉米种子活力相关性状的QTL定位分析[D].河南农业大学,作物遗传育种,2012,硕士.
[4]王洁.当代中国社会主义核心价值观的建构、培育和践行研究[D].中共江苏省委党校,马克思主义哲学,2013,硕士.
[5]张淑英.中国煤炭工业低碳发展研究[D].中国矿业大学（北京）,管理科学与工程,2012,博士.
[6]陈帆.CRT、IAP及TSP-1在人稽留流产蜕膜组织中的表达及意义[D].郑州大学,生殖医学,2013,硕士.
[7]孟祥萍,钱进,冯雷,郑文,张维俊.基于位串数组的关联规则挖掘算法[J].计算机工程与应用,2004,08:177-178+192.
[8]王东方,孔晓华.电力线上网还有多远?[J].中国计算机用户.2002(29)
[9]吴义杰,高德群,许江桥,汪亚军,樊太亮.一种自动识别高分辨率层序地层的方法及计算机实现[J].石油地球物理勘探,2003,02:162-167+220-108.
[10]刘清辉.火灾烟气的发生及检测系统[D].清华大学,热能工程,2003,硕士.
[11]张倩.我国旅游文化产业园区现状分析[D].山东大学,专门史,2013,硕士.
[12]杨志刚.膀胱癌P16、P53、Rb基因表达及P16、P53基因缺失突变的相关性研究[D].山西医科大学,泌尿外科,2002,硕士.
[13]杨博.IT项目投资价值模型研究及实证分析[D].首都经济贸易大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[14]刘小光.林木根系与土壤摩擦锚固性能研究[D].北京林业大学,结构工程,2013,硕士.
[15]原博.我国信贷资金配置效率的区域比较研究[D].浙江理工大学,区域经济学,2013,硕士.
[16]刘月.溢油沉潜特征的实验研究[D].大连海事大学,环境工程,2013,硕士.
[17]范围.L公司高端手机营销策略研究[D].北京交通大学,2014.
[18]胡核算,李志武,王安荣.基于信标的柔性制造系统的优化死锁预防策略[J].控制与决策,2006,12:1343-1348.
[19]孟俊龙.管理者早期参军经历与公司政策[D].厦门大学,财务学,2014,硕士.
[20]张泽群.纳入排污权交易的异质双寡头动态博弈的复杂性分析[D].吉林大学,数量经济学,2014,硕士.
[21]张思炜.台湾海峡高速客滚船直航发展研究[D].大连海事大学,交通运输规划与管理,2012,硕士.
[22]翟怡.自组装功能膜诱导合成纳米二氧化锡晶态薄膜的研究[D].天津大学,化学工程,2004,硕士.
[23]袁宁宁.全机器人二尖瓣成形与正中开胸手术中期成形效果及生活质量对比研究[D].中国人民解放军医学院,外科学,2013,硕士.
[24]李丹丹.枸杞多糖的提取及其水解物的研究[D].齐鲁工业大学,食品科学,2014,硕士.
[25]钟运钦.基于生态农业发展的“三农”问题缓解路径研究[D].广西大学,政治经济学,2004,硕士.
[26]颜迎雪.三维地理信息技术在城乡规划管理中的应用与研究[D].西南交通大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[27]吴园园.海阳中心渔港工程附近海域水动力及泥沙冲淤数值模拟[D].中国海洋大学,2014.
[28]徐正和.津浦(管内)、沪宁线提速至200km/h最小曲线半径的选择[J].上海铁道科技.2003(04)
[29]肖龙,戴宗坤,杨炜.基于VPRS的信息系统风险分析[J].计算机应用,2005,07:1595-1597.
[30]陈璐.《阿勃特声乐练习曲》在声乐学习中的作用和意义研究[D].西北师范大学,艺术,2013,硕士.
[31]沙锡鉴.荆丘构造的地震地质解释[J].石油地球物理勘探,1984,06:519-529.
[32]袁杰.广州YS制药股份有限公司员工满意度调查研究与改进建议[D].华南理工大学,工业工程,2012,硕士.
[33]赵满霞.对第14届世锦赛中外男篮犯规规律的比较分析及对策研究[D].河北师范大学,体育教育训练学,2004,硕士.
[34]黄瑶.大学生网络学习认同感影响因素分析[D].扬州大学,现代教育技术,2012,硕士.
[35]骆嫕.浙江省生产性服务业效率评价及影响因素研究[D].宁波大学,区域经济学,2013,硕士.
[36]曹瑜,高辉,李涛,刘爽,杨俊丰.VERITASNetBackup软件备份方案及实施实例[J].石油地球物理勘探,2008,S1:185-187+196.
[37]袁锐.中国游泳队企业赞助的现状与对策研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[38]应波.基于消费者采纳网络的网上购物扩散模型研究[D].杭州电子科技大学,企业管理,2012,硕士.
[39]鲍婷.基于灰色-AHP法的绿色村镇综合评价研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[40]史润香.多功能三坐标雷达系统建模与仿真[D].西安电子科技大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[41]潘晓慧.煤矸石制备Q相生态水泥试验研究[D].河南农业大学,农业生物环境与能源工程,2012,硕士.
[42]江元英.ISO/TC176最新动向[J].质量与可靠性.2004(01)
[43]孙旸.我国个人收入分配差距问题研究[D].河北经贸大学,西方经济学,2013,硕士.
[44]王丽慧.论“企业档案知识管理者”的角色意识与实现[D].湖北大学,档案学,2011,硕士.
[45]宋学平.基于LabVIEW的介电自动化测试平台搭建及CaCu_3Ti_4O_(12)介电性质研究[D].湖北大学,凝聚态物理,2011,硕士.
[46]吴润宗.高阶思维培养视角下学案设计与应用研究[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[47]吕冬红.我国网络商品交易监管问题研究[D].山东财经大学,民商法学,2013,硕士.
[48]黄玮.江西吉安联通DCN网络优化方案设计与实现[D].南京邮电大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[49]黄丽花.有限责任公司股东资格继承法律制度研究[D].华中科技大学,法律,2013,硕士.
[50]李请坤,周拥军,武静.微型光机电二维扫描镜的Lissajous与Linescan扫描对比[J].电光与控制.