內(nèi)共生菌Wolbachia對(duì)Ficus hispida榕小蜂線粒體基因的影響.pdf

1、Wolbachia是一種廣泛存在于節(jié)肢動(dòng)物體內(nèi)的胞內(nèi)共生菌，早期研究表明節(jié)肢動(dòng)物中約16％的物種被感染。近來(lái)根據(jù)Long-PCR等檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)約76％的物種感染W(wǎng)olbachia，同時(shí)發(fā)現(xiàn)不少寄主感染多株系的Wolbachia，因此推斷Wolbachia可能是目前分布最廣、豐度最大的胞內(nèi)共生微生物類群。 母系遺傳的胞內(nèi)共生菌Wolbachia能夠操縱寄主的生殖活動(dòng)，如誘導(dǎo)精卵不容、孤雌生殖、雌性化、殺雄作用等。此外，研究表明Wo

2、lbachia在物種形成過(guò)程中起到重要作用。 動(dòng)物的線粒體基因(mtDNA)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：母系遺傳；基因組較??；重組率低；變異速度快(一般認(rèn)為線粒體基因是核基因進(jìn)化速率的4-10倍)等。線粒體基因逐步成為重要的分子標(biāo)記，廣泛應(yīng)用于種群遺傳學(xué)、生物進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育等相關(guān)研究。 mtDNA長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是一種中性進(jìn)化的分子標(biāo)記，然而近來(lái)一些研究者發(fā)現(xiàn)跟其它基因組基因相比，整個(gè)線粒體實(shí)際上處于非常強(qiáng)烈的選擇壓力之下，接受

3、著來(lái)自線粒體本身的直接選擇和其它母系遺傳因素的間接選擇，以一種“非中性”的速率進(jìn)化。任何母系遺傳的相關(guān)因素都有可能影響到線粒體基因的變異，胞內(nèi)共生菌Wolbachia就是一個(gè)典型例子。Wolbachia能夠影響寄主線粒體基因的變異，因此可以通過(guò)寄主線粒體基因的變異來(lái)研究Wolbachia的感染情況。Hurst總結(jié)前人研究結(jié)果表明內(nèi)共生菌對(duì)寄主的線粒體基因(mtDNA)能夠產(chǎn)生的影響，對(duì)已有的例子進(jìn)行分析，可以分為四類：(1)內(nèi)共生菌驅(qū)動(dòng)

4、的mtDNA多樣性的降低；(2)內(nèi)共生菌驅(qū)動(dòng)的多樣性的增加；(3)內(nèi)共生菌驅(qū)動(dòng)的空間范圍內(nèi)mtDNA的變異；(4)內(nèi)共生菌連帶mtDNA并系的產(chǎn)生。 根據(jù)前人對(duì)不同地區(qū)榕小蜂感染率的研究發(fā)現(xiàn)，榕小蜂幾乎是感染W(wǎng)olbachia最多的昆蟲之一，達(dá)到59％-67％。榕小蜂長(zhǎng)期生活在密閉的果內(nèi)，果內(nèi)小蜂的感染情況以及對(duì)寄主線粒體基因可能的影響引起我們極大的研究興趣。在本文中，我們主要探討了榕樹Ficus hispida中四種榕小蜂體內(nèi)

5、Wolbachia感染率以及對(duì)不同寄主mtDNA的影響。 感染率的初步研究結(jié)果表明，在Ficus hispida中，傳粉榕小蜂Ceratosolen solmsi和非傳粉小蜂Philotrypesis pilosa感染W(wǎng)olbachia，而另外兩種非傳粉小蜂Philotrypesis sp.和Apocrypta backeri則完全未感染W(wǎng)olbachia。并且，兩個(gè)感染W(wǎng)olbachia物種中的感染率也不同，C. solmsi

6、是89.3％，而P. pilosa的感染率是100％。進(jìn)一步通過(guò)Wolbachia的兩個(gè)特異基因wsp和ftsZ序列得到結(jié)論：傳粉榕小蜂C. solmsi只感染一個(gè)Wolbachia株系，而非傳粉榕小蜂P. pilosa感染多株系Wolbachia，其中兩個(gè)株系是相對(duì)比較穩(wěn)定的，并且其中一個(gè)株系與感染C. solmsi的株系只有一個(gè)堿基的差異。這說(shuō)明Wolbachia除了垂直傳播以外，在這兩個(gè)物種當(dāng)中很可能還存在水平傳播，盡管傳播途徑還

7、不是很清楚。 從聚類樹上可以看出，所有的C. solmsi個(gè)體依據(jù)它們的感染狀態(tài)被分成兩大支，并且兩個(gè)線粒體分子標(biāo)記(COI和Cytb)得出相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，意味著它們有著相似的變化趨勢(shì)。分別對(duì)比感染和未感染W(wǎng)olbachia個(gè)體間的線粒體基因序列(COI和Cytb)，我們發(fā)現(xiàn)二者差異明顯：一方面，對(duì)于COI和Cytb，感染和未感染類群間的核苷酸差異分別達(dá)到9.2％和15.3％；另一方面，同樣對(duì)于這兩個(gè)線粒體基因，感染和未感染類群

8、內(nèi)部核苷酸的差異均小于1％。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)線粒體基因，感染個(gè)體較未感染個(gè)體顯示出明顯降低的多樣性。 P.pilosa和P.sp.的COI和Cytb兩個(gè)基因的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在一定差異。對(duì)于COI，P.pilosa和P. sp.均出現(xiàn)非常多的單體型；而對(duì)于Cytb，P. pilosa種內(nèi)依然出現(xiàn)較多不同的單體型，而P. sp.中出現(xiàn)的單體型則相對(duì)較少。數(shù)據(jù)表明，對(duì)于COI，這兩個(gè)姐妹種在核苷酸多樣性等方面都非常相似，差異不大；對(duì)

9、于Cytb，與COI不同，兩姐妹種間差異較大。 使用三個(gè)不同的中性檢驗(yàn)方法對(duì)C. solmsi，P. pilosa和P. sp.進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，只有C. solmsi中感染W(wǎng)olbachia個(gè)體的COI序列明顯偏離中性進(jìn)化，而所有個(gè)體的Cytb基因，以及未感染W(wǎng)olbachia的C. solmsi的COI基因均符合中性進(jìn)化。核基因結(jié)果也非常有意思，對(duì)于ITS2片段來(lái)說(shuō)，種內(nèi)個(gè)體的序列幾乎完全一致，從分子數(shù)據(jù)上確定了我們所取的標(biāo)本來(lái)

10、自同一物種，并且排除了其它因素的作用，證明是Wolbachia的存在對(duì)寄主產(chǎn)生了影響。對(duì)于EF1-α，姐妹種P.pilosa和P. sp.的序列非?；靵y，很難將兩個(gè)種區(qū)分開來(lái)，可能是由于我們所取的基因片段非常保守的緣故；另一方面，在傳粉榕小蜂中，感染和未感染個(gè)體的EF1-α存在三個(gè)固定位點(diǎn)堿基的變異，盡管這三個(gè)堿基的變化并沒(méi)有引起任何氨基酸水平的變異，目前還不能對(duì)此做出一個(gè)滿意的解釋。 通過(guò)對(duì)Wolbachia株系的研究，推測(cè)在

11、對(duì)葉榕中，Wolbachia的兩種傳播方式并存，或許水平傳播方式也是大量榕小蜂感染W(wǎng)olbachia的一個(gè)可能原因。通過(guò)對(duì)wsp基因序列研究發(fā)現(xiàn)，wsp存在明顯的基因重組現(xiàn)象?；蛑亟M現(xiàn)象是細(xì)菌新物種形成的一個(gè)重要方式。對(duì)Wolbachia基因組大量基因的研究發(fā)現(xiàn)，存在許多重組的蛋白基因，這也從另一個(gè)方面解釋了大量不同株系存在的原因。 在研究Wolbachia對(duì)線粒體基因的影響的同時(shí)，還在兩個(gè)姐妹種P. pilosa和P.sp.

12、的COI中發(fā)現(xiàn)大量的線粒體假基因，而Cytb中未出現(xiàn)，同時(shí)在對(duì)葉榕中另外兩種小蜂的線粒體基因中均未發(fā)現(xiàn)線粒體假基因的存在。這很可能是兩姐妹種的COI基因在進(jìn)化中受到特殊的壓力造成的。在這些假基因中，最明顯的特征就是大量終止密碼子的提前出現(xiàn)。姐妹種中很多個(gè)體都同時(shí)得到兩個(gè)或多個(gè)不同的線粒體假基因序列。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些假基因都是在兩個(gè)姐妹種發(fā)生分離之后產(chǎn)生的；并且可能是通過(guò)獨(dú)立的從線粒體到核基因組的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移后復(fù)制事件兩種方式產(chǎn)生的。