-
网纹蟒Python reticulatus属于蛇亚目Serpentes原蛇附目Henophidia蟒科Pythonidae,广泛分布于东南亚,在印度尼西亚存在海岛变体[1],其皮张被认为是皮毛产业奢侈品的来源,是东南亚重要的经济自然资源。目前,该物种被世界自然保护联盟评估为易危等级(vulnerable species,VU)[2],属于濒危动植物种国际贸易公约附录Ⅱ物种。受捕猎影响,该物种在东南亚各国不同地区的种群遗传多样性已遭到破坏,亟待有计划的种群复苏和保护工作[3]。蛇类进化历史久远,生存环境复杂多样,但其形态特征相对较为保守,加上趋同进化,造成可用于蛇类系统学研究的形态方面信息较少,因此,依据形态学信息很难解决蛇类系统关系。生物分子所具有的信息量大、完全不相同、较为真实记录生物进化信息等特点,可弥补形态学信息的不足,越来越多地被应用到蛇类系统发生的研究中[4]。研究认为:作为一个与能量代谢有关的细胞器,真核生物的线粒体具有相对独立的遗传物质即线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA),研究线粒体基因组并利用线粒体DNA全序列分析进行系统建树,能够克服单个基因仅能带来的有限信息,更加全面地揭示物种进化与系统发生。目前关于网纹蟒的分子生物学研究仅集中在几个线粒体基因相关的系统分析上[3],在线粒体全基因组方面上存在欠缺。本研究拟采用无损伤性取样,提取网纹蟒线粒体DNA,通过聚合酶链式反应(PCR)扩增拼接得到线粒体基因组全序列,以评估非入侵式采样在蛇类研究中的可行性;以网纹蟒线粒体基因组序列信息和结构特征分析为依据,结合GenBank中近缘物种(蟒科,蚺科Boidae和闪鳞蛇科Xenopeltidae)已发现的线粒体基因组序列,构建系统发生树,探讨蛇亚目的系统发生关系,并结合蛇亚目线粒体基因组不同的排列顺序来讨论蛇亚目线粒体基因组的重排。
HTML
-
对提取到的DNA的检测发现,蛇蜕样品DNA质量浓度最高,粪便表层次之,粪便内层最低;粪便内层样品D(260)/D(280)最高,说明样品DNA纯度较差,其他样品的D(260)/D(280)均为1.7~1.8,符合后续实验要求(表 1)。PCR扩增试验显示:室温或液氮研磨,蛇蜕样品中提取的基因组DNA均能扩增出长度为1 000~1 500 bp的片段;而来源于粪便表层或内层样品的基因组扩增得到700~1 000 bp片段和1 000~1 500 bp片段的效果均不佳。
样品类型 ρDNA/(mg·L-1) D(260)/D(280) 扩增1成功率/% 扩增2成功率/% 粪便表层样品 328.63 ± 161.67 1.78 ± 0.03 80 20 粪便内层样品 15.83 ± 4.45 1.87 ± 0.04 20 0 蛇蜕样品-液氮处理 2 116.73 ± 171.84 1.73 ± 0.02 100 100 蛇蜕样品-室温处理 1 284.33 ± 211.12 1.69 ± 0.04 100 100 说明:扩增引物均为5对。扩增1得到产物长度700~1 000 bp为成功;扩增2得到产物长度1 000~1 500 bp为成功 Table 1. Genomic DNA extracted from different types of samples and the success rate of PCR
-
对PCR扩增产物进行测序和序列拼接,得到长度为17 641 bp的网纹蟒线粒体基因组完整序列(GenBank:MH410033)(图 1),序列含2个rRNA基因,13个编码区,22个tRNA基因和2个控制区(表 2)。其中重链编码28个基因,轻链编码9个基因。包含的2个rRNA基因(12S rRNA和16S rRNA)位置和其余蛇类相同。除了NADH6(ND6)之外,其余12个蛋白编码基因均位于重链上;所有蛋白基因都没有内含子,但和相邻的基因存在少许重叠或间隔。发现的22个tRNA基因存在蛇类特有的LQM和WANCY基因簇。2个控制区位于非编码区,长度分别为1 271和1 196 bp,序列相似度为96.68%。
基因 长度/bp 起始密码子 终止密码子 12S 1 292 16S 1 514/ 1 511/ 1 512/ 1 512 NADH1(ND1) 967/ 967/ 964/ 964 ATA T NADH2(ND2) 1 032 ATA AGA/TAA/TAA/TAA COX1 1 602 GTG AGA COX2 686 GTG TA ATP8 171/ 171/ 168/ 168 GTG/ATG/ATG/ATG TAA ATP6 681 ATG TAA COX3 784 ATG CAT NADH3(ND3) 343 ATT AAT NADH4L(ND4L) 291 ATG TAA NADH4(ND4) 1 356 ATG AGA NADH5(ND5) 1 794/ 1 788/ 1 794/ 1 794 ATG TAA NADH6(ND6) 513 ATA/TCT/ATG/ATG AGG/AGA/AGG/AGG Cytb 1 114/ 1 114/ 1 111/ 1 111 ATG T 说明:各比较项中,当不同物种间存在差异时,表达顺序为网纹蟒、缅甸蟒、印度蟒和球蟒 Table 2. Comparion of length, start codon and stop codon in Pythonidae
对蟒科物种相关基因的长度、起始密码子和终止密码子的分析发现,4个物种之间存在较高的同源性。网纹蟒的NADH2(ND2)终止密码子和ATP8起始密码子与其他物种不同,是物种所特有的;NADH6(ND6)基因变异最大,起始密码子仅2个物种一致,终止密码子缅甸蟒不同于其余3个物种。COX2基因和NADH1(ND1)较为保守,前者4个物种均以TA为终止密码子,后者则使用单碱基T作为不完全终止密码子。
-
利用相关基因、控制区和线粒体基因组全序列构建系统树。分析发现:用蛋白基因构建的系统树拓扑结构较为相近;以Cytb基因为例(图 2A),蟒科物种聚集的支持率为97%(PR,PM,PB和RP枝),就亲缘关系而言,闪鳞蛇科(XU)比蚺科(BC和CT)更接近蟒科(图 2A)。用线粒体基因组全序列构建的系统树则表明:蟒科(PR,PM,PB和RP枝)和蚺科(BC和CT枝)各自聚为一枝,支持率都为100%;同样,闪鳞蛇科比蚺科更接近蟒科(支持率99%)(图 2B)。由于数据库中玫瑰蚺(CT)的2个控制区长度仅为288和553 bp,和其他数据存在明显差异,因此删除该序列后对其他7个物种进行基于控制区的系统树构建。分析发现:各物种的2个独立的控制区均先聚类,物种间的控制区聚类关系表明蟒科的支持率为100%,而闪鳞蛇、蚺科和圆环蛇则为另外一分支(图 2C)。以上结果表明:来源于同个物种的控制区相似度更高;相较于蚺科,闪鳞蛇科和蟒科的进化关系更接近。
-
和其他脊椎动物线粒体基因组全序列的比较发现,蛇亚目物种长度大小变化较大,主要原因为控制区的长度和数量不同,基因组上存在一些重复序列区域。对不同物种线粒体结构序列进行分析并构建系统树(图 3),结果发现存在3种不同的基因结构,结构一主要存在于蟒科(RP和PR),闪鳞蛇科(XU),蚺科(BC)和疣鳞蛇科(AG和CR)中,含有2个控制区及tRNA-L(Q)M和tRNA-W(ANCY)结构;结构二存在于蝮亚科(OO和AP)和游蛇科(DS和PS),和结构一的差异在于在tRNA-I和控制区1中多了1个tRNA-P;相比于结构二,结构三的tRNA-L(Q)M基因簇中,tRNA-Q产生了基因轻重链的转化,形成了tRNA-LQM;而结构四(代表为盲蛇总目RH)则为仅存在1个控制区,tRNA-L产生了移位,挪动至ND1前,而tRNA-L(Q)M和tRNA-W(ANCY)通过移位分别转变为tRNA-IM和tRNA-W(QANCY)。