基于密码子偏好性分析的直翅目昆虫线粒体基因演化驱动机制研究

Mitochondrial genes are the most popular molecular markers for the animal phylogenetic study and species delimitation. The evolution trends and driving mechanism of animal mitochondrial DNA will help us on selecting the suitable molecular markers and explaining the phylogenetic results. For a long period, the evolution of mitochondrial genome has been regarded as neutral evolution driven by mutation solely. But, the studies on birds and bat mitogenome demonstrate that the environmental factors, the difference of flight ability also drive the adaptive evolution of mito-genome. Here, we hypothesize, the mitochondrial genome of the flighting insects is dominated by the selection pressure. We need to study the evolutionary driven mechanism of insect mitochondrial genes by combining the mutation and selective pressure. Codons have both the genetic information of DNA and functional information of amino-acid when used as phylogenetic code. The codon usage bias quantificationally reflects the evolution level of genes. The proposal will study the evolutionary and driven mechanism of mitochondrial genome of orthoptera insects. Firstly, an orthoptera mito-genomic database will be established. Then, the codon usage parameters of each species and 13 protein-coding genes will be calculated using bioinformatics methods to determine the codon bias; the correlation analysis of various mutations, selection evolutionary pressure and codon preference parameters will be analyzed to study the evolutionary drive mechanism of mitochondrial genes. This project will provide theoretical support for insect mitochondrial gene evolution, phylogenetic molecular marker selection, and the classification and evolution of orthoptera insects.

动物线粒体基因是系统发育、物种界定的最主要分子标记，其演化规律及驱动机制有助于筛选分子标记和解析系统发育分析结果。虽然其演化长期被认为是由突变驱动的中性演化，但近期对鸟类和蝙蝠等动物的研究显示：环境因素和飞行能力差异能驱动线粒体基因发生适应性演化。因此，我们推测同样具有飞行能力的昆虫，线粒体基因演化也受选择压力的影响，需要综合突变和自然选择压力两类因素研究其演化驱动机制。密码子作为系统演化数据兼有碱基的遗传信息和氨基酸的功能信息，其偏好性能定量反映出演化的程度。本项目以起源较早、种类丰富、类群分化多样的直翅目昆虫为研究对象，构建直翅目昆虫线粒体基因数据库；计算各物种和13个蛋白质编码基因的密码子参数，确定密码子的偏好性；对各种突变、选择压力参数与密码子偏好性进行相关性分析，发现线粒体基因演化的驱动机制。结果将为昆虫线粒体基因进化、系统发育分子标记选择和直翅目昆虫分类、进化等提供依据。

本项目以直翅目昆虫的线粒体基因组为研究材料，通过计算多个密码子偏好性参数，分析线粒体基因进化速率、碱基替换规律等演化特征进而分析突变和选择因素在线粒体基因演化中的驱动机制。通过本实验室测定和下载GenBank已公布的数据，获得了直翅目昆虫2亚目14总科365种线粒体基因组开展了一下工作：①采用不同的线粒体基因组数据集划分方案，采用最大似然法（ML）和贝叶斯法（BI）构建了365种直翅目昆虫的系统发育树做为后续线粒体基因演化的支撑。②13个蛋白编码基因以A或U结尾的密码子RSCU值基本都大于1，是优先使用的密码子。正链上的9个蛋白编码基因偏好以A结尾的密码子，负链上的4个蛋白编码基因偏向使用以U结尾的密码子。③13个蛋白编码基因的ENC值都小于35，均具有密码子使用偏好性。起始密码子ATG的使用频率最高，终止密码子TAA的使用频率最高。ENC中性绘图分析支持13个蛋白编码基因的密码子偏好主要是受到自然选择的影响，但ATP8基因受到了强的自然选择和突变压力的双重影响。④选择压力分析显示ATP8基因发生的非同义替换率和同义替换率均较高于其它蛋白编码基因，受到强烈的选择作用。COX1和Cyt b基因中发生了高的同义突变，但非同义替换率最低，且ka/ks值最低，这两个基因经历了强的负选择作用。⑤ENC和密码子偏好的影响因素相关性分析显示，密码子偏好与非同义突变率之间无关，高的同义突变率会导致基因的密码子偏好性减弱，而强的负选择作用会使基因的密码子偏好增强。⑥密码子的RSCU值与各影响因素相关性分析结果显示，非同义突变率与密码子RSCU值之间不具有相关性；同义突变率越高，具有偏好的密码子RSCU值会越小，偏好性降低。负选择作用越强，具有偏好的密码子RSCU值会越大，偏好性越强。本研究丰富了直翅目昆虫线粒体基因组数据库，为演化和分类提供数据积累，也为昆虫线粒体基因的演化提供新证据。.

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