ITS是目前唯一一個在植物系統(tǒng)發(fā)育研究中廣泛使用的核基因。ITS2是ITS主要的變異區(qū),在近緣物種鑒定,特別是DNA條形碼研究中具有更高的利用價值。一直以來,系統(tǒng)發(fā)育分析將ITS2基因片段作為DNA序列處理,然而ITS2在生物體內(nèi)會轉(zhuǎn)錄成具有二級結(jié)構(gòu)的rRNA分子,其配對區(qū)堿基存在特殊的“堿基補償替換”現(xiàn)象,即配對堿基間的共進化。這與DNA模型中堿基變異的獨立性假設(shè)存在沖突。然而這種不恰當(dāng)?shù)哪Ｐ图僭O(shè)會對ITS2系統(tǒng)發(fā)育分析造成多大的影響至今尚無定論。本研究在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,基于RNA模型來評估ITS2在二級結(jié)構(gòu)約束下的進化規(guī)律,并評估其對構(gòu)建進化樹的影響,為優(yōu)化ITS2系統(tǒng)發(fā)育分析、獲得更為準確的ITS2進化關(guān)系樹提供借鑒。為全面評估RNA模型對ITS2序列的適合度并分析ITS2二級結(jié)構(gòu)的進化規(guī)律,本研究中以屬為基本單位,選取了種子植物32目,42科中的70個屬,共計2203種、4219條ITS2序列,全面覆蓋了種子植物的代表性支系�；蛐蛄邢螺d自GenBank并通過其基因注釋信息結(jié)合ITS2 Database的Annotate功能界定ITS2。在常規(guī)系統(tǒng)發(fā)育分析中,選用貝葉斯方法構(gòu)建基于DNA模型的系統(tǒng)發(fā)育樹,使用MrModelTest獲得最優(yōu)進化模型,使用MrBayes軟件構(gòu)建貝葉斯樹。在基于RNA進化模型的系統(tǒng)發(fā)育分析中,首先使用LocARNA軟件來預(yù)測ITS2共有二級結(jié)構(gòu),并根據(jù)ITS2的保守結(jié)構(gòu)進行人工校正;其次利用PHASE-3.0軟件包中的model_selection.pl程序獲得最優(yōu)進化模型;最后使用PHASE-3.0軟件包中的mcmcphase.exe程序構(gòu)建貝葉斯樹。對兩種分析方法所構(gòu)建的進化樹比較樹圖拓撲結(jié)構(gòu)、支持率和鑒定效率并進行統(tǒng)計學(xué)分析,進而評估使用RNA模型的優(yōu)越性。研究結(jié)果表明:(1)70屬ITS2配對區(qū)最優(yōu)進化模型均是RNA模型,其中絕大多數(shù)類群是16-state RNA模型,少數(shù)是7-state RNA模型。此外,在模型選擇結(jié)果中是否設(shè)置γ模型參數(shù)(表示為是否+G)以及7-state模型對錯配堿基對(MM)的不同處理(等頻率或經(jīng)驗頻率)在結(jié)果中均有涉及,這些結(jié)果表明ITS2配對區(qū)的進化模式與DNA的進化模式不一致且存在RNA進化模式的多樣性,顯示了使用RNA模型研究ITS2系統(tǒng)發(fā)育的必要性。(2)配對區(qū)的G+C堿基頻率總是高于非配對區(qū)。堿基對的頻率從高至低依次是GC、UA、GU、MM,而堿基對替換速率與之相反,表明ITS2序列傾向于保留穩(wěn)定的堿基配對(如GC)以維持二級結(jié)構(gòu)。此外,對雙替換(rd)、雙顛換(rv)、正向速率(沃森-克里克配對轉(zhuǎn)換為GU,rf)和反向速率(由GU轉(zhuǎn)換為沃森-克里克配對,rb)這4個替換速率參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示有34屬rd和rv參數(shù)值不為0,有19屬rd/rv大于1,而其它15屬則是rd/rv小于1;在所有情況下rd均小于rf在部分類群如菟絲子屬(Cuscuta)中,rb/rf約等于1,但在大多數(shù)情況下rb大于rf,這表明真實植物類群中存在CBC且雙替換一般通過兩步法完成,中間態(tài)GU能相對穩(wěn)定地存在,但會更加快速地轉(zhuǎn)化為沃森-克里克配對。(3)對基于DNA模型和基于混合模型(配對區(qū)RNA模型,非配對區(qū)DNA模型)的系統(tǒng)發(fā)育樹進行比較,基于混合模型的系統(tǒng)發(fā)育樹的支持率在不同區(qū)間范圍內(nèi)(支持率大于50%、70%、90%、95%)有不同程度的降低。在支持率大于95%區(qū)間內(nèi),70屬中有30屬在加入RNA模型建樹后鑒定效率下降,下降百分比最大100%。這表明由于RNA模型以共進化的堿基對作為進化單位,降低了信息位點數(shù)量,使得構(gòu)建的貝葉斯樹支持率和物種鑒定率都有不同程度的下降。因此,我們的結(jié)果進一步證實了傳統(tǒng)使用DNA模型的方法可能會導(dǎo)致支持率和鑒定效率虛高的推測。(4)另一些結(jié)果表明使用RNA模型建樹后少數(shù)類群的支持率和鑒定效率有增加的現(xiàn)象。這可能是由半補償性突變的存在及共有二級結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下序列比對的結(jié)果中增加了同源信息位點引起的�；诖髷�(shù)據(jù)和新方法體系的研究結(jié)論,證明了傳統(tǒng)上使用DNA模型對ITS2基因的分析方法需要優(yōu)化。本文建議在將ITS2基因用于系統(tǒng)發(fā)育分析時,應(yīng)當(dāng)考慮ITS2二級結(jié)構(gòu)對其進化的約束,將RNA模型加入分析。這為澄清更多進化事實、建立更精確的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)方法提供了新視角。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q943
【部分圖文】：

圖１－１?ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)及在配對區(qū)發(fā)生的互補堿基替換。Ａ．落新婦的ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)；Ｂ．落??新婦屬兩物種ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)Ｉ號臂上的互補堿基替換，圖左為落新婦，圖右為溪畔落新婦。??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ?ｂａｓｅ?ｐａｉｒ?ｃｈａｎｇｅ?（ＣＢＣ）．?Ａ．?ＩＴＳ２??ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ａｓｔｉｌｂｅ?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ；?Ｂ．?ＣＢＣ?ｉｎ?ｓｔｅｍ?Ｉ?ｏｆ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｗｏ??Ａｓｔｉｌｂｅ?ｓｐｅｃｉｅｓ，?Ａ．?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?Ａ．?ｒｉｖｕｌａｒｉｓ?（ｒｉｇｈｔ）．??在系統(tǒng)發(fā)育分析方法中，序列矩陣的進化規(guī)律具體表現(xiàn)為進化模型的參數(shù)設(shè)??置。前人研究表明，ＲＮＡ模型描述ＲＮＡ二級結(jié)構(gòu)配對區(qū)的序列進化時要優(yōu)于??ＤＮＡ模型。因此，基于二級結(jié)構(gòu)信息進行結(jié)構(gòu)分區(qū)并使用ＲＮＡ進化模型分??析配對區(qū)序列可能更適合統(tǒng)計ＩＴＳ２序列中發(fā)生的突變規(guī)律然而，目??前卻鮮有研宄將ＲＮＡ模型用于ＩＴＳ２的系統(tǒng)發(fā)育分析中。??綜上所述，在實際的系統(tǒng)發(fā)育分析中，忽略ＩＴＳ２作為ＲＮＡ以二級結(jié)構(gòu)進??化的事實，將其作為ＤＮＡ序列處理是否會對系統(tǒng)發(fā)育分析造成影響？如果ＲＮＡ??模型更適用于ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)的配對區(qū)序列，那么利用ＲＮＡ模型分析ＩＴＳ２序列??

ＢＭＭ??圖１－１?ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)及在配對區(qū)發(fā)生的互補堿基替換。Ａ．落新婦的ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)；Ｂ．落??新婦屬兩物種ＩＴＳ２二級結(jié)構(gòu)Ｉ號臂上的互補堿基替換，圖左為落新婦，圖右為溪畔落新婦。??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ?ｂａｓｅ?ｐａｉｒ?ｃｈａｎｇｅ?（ＣＢＣ）．?Ａ．?ＩＴＳ２??ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ａｓｔｉｌｂｅ?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ；?Ｂ．?ＣＢＣ?ｉｎ?ｓｔｅｍ?Ｉ?ｏｆ?ＩＴＳ２?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｗｏ??Ａｓｔｉｌｂｅ?ｓｐｅｃｉｅｓ，?Ａ．?ｃｈｉｎｅｎｓｉｓ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?Ａ．?ｒｉｖｕｌａｒｉｓ?（ｒｉｇｈｔ）．??在系統(tǒng)發(fā)育分析方法中，序列矩陣的進化規(guī)律具體表現(xiàn)為進化模型的參數(shù)設(shè)??置。前人研究表明，ＲＮＡ模型描述ＲＮＡ二級結(jié)構(gòu)配對區(qū)的序列進化時要優(yōu)于??ＤＮＡ模型。因此，基于二級結(jié)構(gòu)信息進行結(jié)構(gòu)分區(qū)并使用ＲＮＡ進化模型分??析配對區(qū)序列可能更適合統(tǒng)計ＩＴＳ２序列中發(fā)生的突變規(guī)律然而，目??前卻鮮有研宄將ＲＮＡ模型用于ＩＴＳ２的系統(tǒng)發(fā)育分析中。??綜上所述，在實際的系統(tǒng)發(fā)育分析中，忽略ＩＴＳ２作為ＲＮＡ以二級結(jié)構(gòu)進??化的事實

植物不同進化支系中選取實驗類群。裸子植物類群目前還沒有基于分子數(shù)據(jù)建立??的分類系統(tǒng)，本研宄根據(jù)之前研宄者利用分子數(shù)據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹進行采樣??［５１＿５２］。理論上來說，增加取樣密度可以避免長枝吸引等系統(tǒng)誤差，進而提高系統(tǒng)??發(fā)育研宂的準確性［５３＿５７］。然而部分屬屬內(nèi)物種多且被測序的ＩＴＳ２序列數(shù)量龐大，??會影響共有二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的準確性，因此我們只進行了有限的取樣，在特殊情況??下取樣密度只保證包含此類群的物種多樣性和譜系多樣性。??２．１．２實驗材料??本研宄共選取了種子植物７０個屬作為研究對象。其中裸子植物９屬，包括??１７７物種，３８９個體，隸屬于２目６科（圖２－１）。被子植物６１屬，包括２０２６??物種，３８３０個體，覆蓋各大主要類群分支（圖２－２），隸屬于２７目３６科（附錄??１）。本次取樣序列均下載自ＧｅｎＢａｎｋ，所用序列共４２１９條，研究對象及其采樣??序列詳細信息見附錄２。???Ｃｙｃａｄａｃｅａｅ??
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本文編號：2845183