Xiphophorus物种中ITS2区域的平行进化

《Molecular Phylogenetics and Evolution》:Paralogous evolution of the ITS2 region in Xiphophorus

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月01日 来源:Molecular Phylogenetics and Evolution 4.0

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   摘要 核糖体ITS2在系统发育研究中被广泛使用,但其多基因组织和潜在的旁系同源现象可能会掩盖真实的物种关系。这项概念验证研究探讨了来自多种Xiphophorus物种的长读长基因组数据中的ITS2序列主要反映了直系同源历史,还是受到了古代和局部重复事件的影响。系统发育分析揭示了

  

摘要

核糖体ITS2在系统发育研究中被广泛使用,但其多基因组织和潜在的旁系同源现象可能会掩盖真实的物种关系。这项概念验证研究探讨了来自多种Xiphophorus物种的长读长基因组数据中的ITS2序列主要反映了直系同源历史,还是受到了古代和局部重复事件的影响。系统发育分析揭示了两个主要的、相互镜像的ITS2支系,这些支系代表的是长期的旁系rDNA谱系,而不仅仅是简单的等位基因变异。对于本研究中分析的大多数物种而言,这两个旁系同源序列在拷贝保留和丢失方面表现出强烈的不对称性。某些其他物种则局限于一个旁系同源组,并表现出与持续存在的祖先多态性一致的ITS2变异。在X. variatus中观察到的显著拷贝数量不平衡,加上其相对于既定物种树的系统发育不一致性,最好通过历史上的rDNA渗入以及随后的偏向性协同进化来解释,这种协同进化几乎抹去了其中一个旁系同源拷贝。尽管存在不完全的均质化、异质的进化速率以及偶尔出现的长分支伪影,但恢复的特定于旁系同源的拓扑结构在很大程度上再现了公认的Xiphophorus物种系统发育树,表明ITS2不仅保留了强大的生物学信号,还记录了渗入事件和差异化的旁系同源进化过程。这些结果表明,明确识别ITS2旁系同源序列可以改进系统发育解释,并为未来基于序列和结构的rDNA进化及Xiphophorus属级系统学研究开辟新的途径。

引言

Xiphophorus是一种原产于墨西哥和中美洲北部的胎生鱼类,分为三个主要的系统发育组:扁平鱼、北方剑尾鱼和南方剑尾鱼。这些组别反映了复杂的进化历史,其特征是广泛的杂交(Cui et al., 2013, Du et al., 2024),使得该属成为研究物种形成和基因交换的重要模型。Xiphophorus鱼类演化出了一系列适应性表型,使它们能够在广泛的地理范围内生活在淡水生境中(Kallman and Kazianis, 2006)。此外,许多物种还发展出了引人注目的性选择特征,包括雄性的色素沉着和鳍形装饰,例如备受瞩目的雄性剑状结构。作为生态学家、进化生物学家、生理学家和神经生物学家的研究对象,Xiphophorus也是生物医学中的经典模型,用于研究黑色素瘤和其他几种人类疾病(Schartl and Lu, 2024)。像所有硬骨鱼类一样,Xiphophorus谱系起源于一次全基因组复制事件(Meyer and Schartl, 1999, Glasauer and Neuhauss, 2014),这有助于它们的遗传多样性和适应性。
内部转录间隔区2(ITS2)是核糖体DNA中的一个片段,以其高序列变异性和保守的二级结构而著称(Schultz et al., 2005, Ankenbrand et al., 2015)。这使得ITS2成为系统发育学和DNA条形码编码的强大分子标记,因为其序列多样性有助于区分密切相关的物种,而其结构的一致性有助于序列比对和进化推断(Schultz and Wolf, 2009)。然而,ITS2在基因组中以多个重复拷贝的形式存在,导致基因组内序列变异,在分析时必须谨慎处理(Coleman, 2003)。
ITS2序列已被广泛用于推断和理解物种的系统发育关系及其基因组的进化(例如Buchheim et al., 2011)。在单细胞生物中已经生成了大量关于ITS2序列、结构和功能的信息。相比之下,关于脊椎动物的此类知识较为匮乏,尤其是在鱼类中,而鱼类占了60,000多种脊椎动物的一半以上。
鉴于Xiphophorus属复杂的杂交/渗入历史和遗传多样性,分析ITS2序列提供了一种有前景的系统发育方法。ITS2的变异性和保守的结构可以提供扁平鱼组和剑尾鱼组内部及之间关系的详细解析,有助于揭示杂交/渗入模式和物种边界。因此,将ITS2数据与基因组信息相结合可以增强对Xiphophorus进化的理解,并改进这一科学上重要属的物种鉴定。
本研究旨在探讨:1.) 来自多种Xiphophorus物种的ITS2序列是否能够生成反映真实直系同源关系的系统发育树;2.) ITS2系统发育树更多地受到由古代全基因组复制事件引起的旁系同源变异、最近的局部重复事件还是升高的rDNA序列变异的影响。区分这些可能性至关重要,因为旁系同源序列可能会混淆系统发育推断。这些发现有望指导未来的ITS2序列-结构研究,如果需要,可以对潜在的旁系同源序列进行单独研究,从而更详细和准确地评估ITS2的系统发育效用和该属内的物种关系。

章节片段

ITS2序列的获取

ITS2序列来源于其他地方描述的基因组组装(Kottler et al., 2020, Shao et al., 2020, Lu et al., 2023, Müller et al., 2023, Dodge et al., 2024, Du et al., 2024, Langdon et al., 2024),或通过de-novo方法生成(补充表S1)。最初使用Barrnap v0.9(Seemann, 2013,https://github.com/tseemann/barrnap)进行了注释,随后使用ITS2数据库V(Keller et al., 2009, Ankenbrand et al., 2015)进行了进一步精细处理。序列比对是通过...

结果

我们从11种Xiphophorus物种中获取了1,528个ITS2核苷酸序列,以及从12种Gambusia物种中获取了124个序列。在某些染色体上没有明显的聚集现象,表明不存在核仁组织器,且大多数序列位于未分配的基因组支架上(例如见补充表S2),因此它们的确切染色体位置仍然不确定。

讨论

在Xiphophorus中进行的ITS2研究最初的问题是:来自不同物种的全基因组ITS2序列集合是否能够生成反映真实直系同源关系的系统发育树;以及这些树更多受到由古代全基因组复制事件引起的旁系同源变异、最近的局部重复事件还是升高的rDNA序列变异的影响。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Celine Reisser、Molly Schumer和Tristam Dodge分享了基因组资源,以及Irene da Cruz在组装X. signum参考序列时提供的生物信息学支持。M.S.和Y.L.得到了德克萨斯州立大学分子生命科学研究所的支持。在Perplexity.ai的支持下,文本的语言和结构得到了改进,以提高清晰度和可读性。作者监督并策划了所有由AI生成的内容,以确保准确性和一致性。
作者:杜康 | 曼弗雷德·沙特尔 | 加布里埃尔·A·普赖辛 | 吕元 | 马蒂亚斯·沃尔夫 | 邓贾·K·拉马奇中国青岛黄海渔业研究所海洋养殖生物育种与可持续产品国家重点实验室
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