项目文章 | 莲花青螺科的线粒体基因组：系统发育、基因重排与进化分歧时间估算

项目

Literature interpretation

文章

- 11月22日 -

Originegene

近日，上海元莘生物合作客户在期刊《BMC Genomics》上发表了题为“Exploring the mitogenomic of Lottiidae (Patellogastropoda): phylogenetics, gene rearrangement and evolutionary divergence time estimations”的文章。该文章对莲花青螺科的线粒体基因组进行了测序和注释，分析了这些线粒体基因组的基本碱基组成特征，构建了系统发育树，比较了与其他相关物种的基因重排特征，并讨论了不同腹足类物种之间的进化模式及各亚目之间的进化关系，为腹足类物种提供了提供了宝贵的线粒体基因组资源。元莘生物为该项目提供测序服务。

发表期刊：BMC Genomics

影响因子：3.5 (Q2）

发表时间：2024.11

文献链接：doi.org/10.1186/s12864-024-10904-z

研究背景

Originegene

Lottiidae（Gray, 1840）是一个衍生的海螺目科，且是潮间带底栖生物群落中的重要组成部分。线粒体基因组已被广泛用于分析海螺目物种的系统发育关系。本研究使用下一代测序（NGS）技术对五个物种的完整线粒体基因组进行了测序。我们分析了这些线粒体基因组的基本碱基组成特征，构建了系统发育树，比较了与其他相关物种的基因重排特征，并讨论了不同腹足类物种之间的进化模式及各亚目之间的进化关系。此外，我们还旨在推测海螺目各物种的分化时间和进化特征。这些结果将丰富海螺目的线粒体基因组数据库，并加深我们对Lottiidae科的遗传特征及腹足类物种之间系统发育关系的理解。

主要研究结果

Originegene

1. 基因组结构分析

通过测序对五个物种的完整线粒体基因组进行了组装，获得线粒体基因组的基本结构如图1所示。基因组长度在16.6 kbp~20 kbp，主要是由于非编码区的差异。值得注意的是，N. nigrans表现出三个大的基因间隔，分别是trnY和trnL1、trnC和trnW1，trnK和trnS1，导致其线粒体基因组明显比其他物种长。L.peitaihoensis、P.ryukyuensis和Nipponacmea sp.共编码38个基因，其中13个PCGs，2个rRNA和23个tRNA，N. nigrans和 P. saccharinoides还编码一个trnW，使基因总数达到39个。在5个物种中，ND5是最长的PCG，编码约567个氨基酸，约1700 bp，而ATP8是最短的PCG，编码约53个氨基酸，约160 bp。tRNA的长度在64 ~ 74 bp之间，而12s rRNA的长度超过900 bp， 16s rRNA的长度在1400 ~ 1500 bp之间。通过对5个物种线粒体基因组核苷酸组成的分析，发现4种碱基的比例不均匀，其中T碱基含量明显较高，而C碱基含量最低。

图1 5个物种完整的圆形有丝分裂基因组图谱，环形表示基因的排列和分布

2. 氨基酸含量和密码子使用

通过分析5个物种的线粒体基因组的氨基酸含量和密码子使用频率，结果显示，Gly、Val、Ser2和Leu1是最常用的4种氨基酸（图2），其他大部分氨基酸的含量都在5.00%以下。RSCU值显示，GGG （Gly）、UUU （Phe）、AGG （Ser2）和AGA （Ser2）是使用频率最高的密码子。相反，UCG （Ser1）、CUC （Leu1）和CCG （Pro）是使用频率最低的密码子。Ka/Ks比值为0.733，COX3最小，为0.179（图3），13个PCGs的Ka/Ks值均小于1，说明该科物种在进化过程中受到了净化选择的影响。采用最大似然（ML）和贝叶斯推理（BI）系统发育分析方法，对Patellogastropoda、Heterobranchia、Caenogastropoda、Neritimorpha、Neomphaliones和Vetigastropoda 6个腹足亚纲115种的13个PCGs进行了连接。分析结果表明，腹足亚纲具有稳定的进化树拓扑结构（图4）。

图2 PCGs的氨基酸含量和RSCU使用

图3 13个PCGs的Ka/Ks比值

图4 13个PCGs进行系统发育树

3. 基因重排

将所有已知的Patellogastropoda物种的基因序列与腹足类祖先的COI基因序列进行了比较。结果显示，腹足类祖先线粒体基因组中有37个基因，包括13个PCGs， 2个rRNAs和22个tRNA基因。在所研究的Patellogastropoda四科中，Nacellidae表现出相对保守的基因序列，所有物种线粒体基因组序列一致，所有PCGs与腹足类祖先一致，只有少数tRNA位置发生了变化。Acmaeidae和Pectinodontidae的重排与Nacellidae相似，完全保留了其祖先的PCGs序列，仅发生了小范围的tRNA重排。Lottiidae具有广泛的基因重排和tRNA基因数量增加，表明具有较高的基因组变异性。这些分析强调了检查tRNA重排和整体基因组成的重要性，以更好地了解进化动力学，进一步的研究可以探索这些基因组变化的功能意义及其对这些物种的生物学和适应性的影响。独特的基因顺序可以作为系统发育标记，用于解析进化关系，并细化科内和科间的分类。基因重排可能表明物种形成事件或适应性辐射，为该群体的进化历史和多样化提供了深入的见解。

图5 Patellogastropoda所有物种的完整线粒体基因组比对，矩形图代表PCGs，圆圈代表tRNA， tRNA用氨基酸缩写标记

4. 分歧时间估算

根据Patellogastropoda的分歧时间估算，该类群的27个物种在古生代的二叠纪（Permian）时期（约282.92 亿年前）发生了分化（图6）。Lottiidae中的属开始中生代白垩纪约148.08 亿年前。Patellidae是第二个进化的分支，出现在二叠纪晚期，大约256.7 MYA。在中生代侏罗纪，大约166.77 MYA，Nacellidae开始分化。此外，在新生代时期，分化加速，出现了大量的新种。在本研究的5个种中，P. saccharinoides是最早分化的种，发生在148.08 MYA左右，其次是Nipponacmea sp.，发生在38.56 MYA左右；P. ryukyuensis与N. nigrans的分化时间均发生在新生代古近纪与新近纪的交界，而L. peitaihoensis的分化时间最晚，发生在18.08 MYA左右。

图6 基于Patellogastropoda所有物种13个PCGs的分歧时间估算

研究结论

Originegene

本研究主要通过对五种Lottiidae物种的线粒体基因组进行了测序分析。揭示了不同物种间基因组组成和结构特征的差异。选择压力分析表明纯化选择作用于所有蛋白质编码基因。此外，该研究还揭示了Patellogastropoda内的系统发育关系，表明Lottiidae是Patellogastropoda亚纲中最早分化的单系类群。它也是该亚纲中基因重排最大的家族，这在相对保守的腹足类物种中是独一无二的。这些发现有助于丰富Patellogastropoda的线粒体基因组数据库，提高我们对腹足类动物遗传特征和系统发育关系的认识。

细胞器基因组技术产品

项目经验

Originegene

元莘生物提供动植物细胞器基因组测序及分析服务！

感兴趣的老师欢迎垂询

关注我们