【客户文章发表】红纹鞭腕虾线粒体基因组对系统基因组学和群体遗传学意义

文章简介

本文是福建省渔业研究所&福建省海洋生物培育与高价值利用重点实验室&浙江海洋大学海洋微生物生态应用实验室联合研究，朱老师 团队2021年11月4日发表在 《PLOS ONE》（IF:3.240）的文章。主要内容是获得了藻虾科的第一个线粒体基因组，通过基因组自身组装注释分析；与十足目或藻虾科其他物种的比较分析现该科的物种进化是不保守的，同时系统进化分析发现红纹鞭腕虾在鞭腕虾属脊额外鞭腕虾中是单系分支，广州红纹鞭腕虾和福建红纹鞭腕虾是同一个物种。

原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0255547

摘要

本文获得了红纹鞭腕虾的线粒体基因组，全长22.003kp，包括13个PCG、22个tRNAs、2个rRNAs，3个假定控制区（CRs），AT含量是 71.50%， AT skewness 为-0.04。PCGs的起始密码子为ATN，然而cox1、nad4、cox3、起始密码子为 TTG、TTG 、GTG；终止密码为TAA，但nad5、nad4是不完整的T形式，cox1是 TAG。藻虾科8个物种线粒体与十足目基因序列比较分析发现，Groenlandicus的基因顺序没有改变，其他物种基因顺序发生不同程度的改变。L.vittata的 trnA、trnR 发生易位，说明藻虾科物种在进化中是不保守的。50只对虾系统发育分析发现红纹鞭腕虾在鞭腕虾属脊额外鞭腕虾中是单系分支。这项研究将有助于更好地了解红纹鞭腕虾进化状况和种群遗传多样性。

研究背景

在藻虾科（Hippolytidae）中鞭腕虾属（Lysmata）是重要的成员，其成员超过48种物种，大多数生活在浅水。长期以来，Lysmata分类一直是十足目中最具争议的。对群体遗传结构的研究相对较少。大多数选择的标记基因是rrnL、rrnS、cox1部分序列，但不能提供足够的信息来进行群体遗传学和物种进化的研究。线粒体基因组是研究不同物种鉴定和系统发育关系的重要工具。在虾类中，线粒体是母系遗传，通常是圆形的，长度为15-20kb，包括13个PCG，2个rRNA，22个tRNAs、1个CR；包含丰富的基因信息，基于mtDNA的系统发育树具有结构稳定可靠的优点。利用线粒体13PCGs序列分析物种间的亲缘关系，可以更好地解决物种分类中遇到的问题。Lysmata vittata属于一种小型海洋观赏虾，俗称薄荷虾，在海洋水族馆行业很受欢迎。该物种有一个特殊繁殖系统，即前雄蕊同时雌雄同体；在海面以下2~50米范围内活动，白天躲在暗礁中，夜间活动。作为海洋观赏物种，研究其线粒体基因组对遗传多样性发展和进化史具有重要意义。

本研究对L.vittata线粒体基因组进行鉴定并对其结构和系统发育状况进行分析。这将有助于进一步了解它们之间的进化关系和群体遗传多样性及其近缘种。

材料和方法

线粒体DNA测序与基因组组装

中国福建省厦门市的红纹鞭腕虾提取约5g肌肉组织进行mtDNA分离，Illumina和PacBio建库测序。

质控

为了确定数据是不是该物种，在Illumina HiSeq X10平台上对样品重测序。

系统发育分析

从NCBI上下载十足目49种物种的PCG序列，Harpiosquilla harpax做外群，构建ML和BI系统进化树，构树模型分别是 TVM + I + G和MtArt I G F。

结果和讨论

基因结构分析

图1 Lysmata vittata的基因组圈图

表1 藻虾科的9个物种线粒体基因组组成和skewness 分析

表2  Lysmata vittata线粒体基因组组成和skewness 分析

基因组全长 22003 bp，包括37个基因（13 PCGs、22 tRNAs、2 rRNAs、3 CRs)），其中23个在F链，14个在R链；核苷酸组成偏向于A和T，AT含量[mtDNA（71.50%）、PCGs（69.79%）、tRNA（69.58%）、rRNA（69.29%）].除了Thor amboinensis，Hippolytidae的AT含量均高于其他种类。AT-skew分析，藻虾科九个物种中 L.vittata与L.boggessi  相近，Lebbeus groenlandicus、Exhippolysmata ensirostris、Saron marmoratus是正值。此外GC-skew分析，除Thor amboinensis外，与其他mtDNA比L.vittata(Guangdong)负值最大。L.vittata(Fujian) 与L.vittata(Guangdong)比较分析发现，福建的序列完全覆盖广东的序列，且比广东的长 1146 bp，缺失原因可能与测序方法和序列剪接有关。

PCGs与密码子使用

图2 L.vittata RSCU和密码子分布

PCGs长11144 bp，占基因组的50.6%；atp6,atp8,cob,cox1-3,nad2-3、nad6九个在F链，nad1,nad4L、nad4-5在R链；以ATN密码子启动，cox1(TTG),nad4L(TTG) andcox3(GTG）除外；nad5、nad4终止密码子以T终止，cox1以TAG终止，另外10个以TAA终止。藻虾科物种的AT-skew 和 GC-skew在表1中呈现。除11个典型终止密码子和2个不完全终止密码子外，13个PCG中的密码子总数为3714个，最常见的氨基酸为Ile（AUR(499), Phe (UUR) (357)、 Leu2 (UUR) (315)，但Cys (UGR) (41) Met (AUR) (24)却很少。13个PCG的AT含量为69.79%，AT-skews 和 GC-skews为负值，表明Ts和Cs的发生率高于As和Gs  tRNAs和 rRNAs。22个tRNAs范围60（trnA）到77 bp（trnN）；表现出很强的A +T偏向，AT-skew和 GC-skew 都为正。trnQ(CAA),trnC(UGC),trnY(UAC),trnF(UUC),trnH(CAC),trnP(CCA),trnL1(CUA)、trnV(GUA)] 在R链，其余在F链。除ttrnS1 缺少一个DHU外，其余的都是典型的三叶草结构。tRNAs的二级结构中，最常见的非Watson-Crick碱基对是G-U（例如trnC，trnE），其次是U-U（trnA，trnC）。此外，在trnA中常见几种错配，如A–C（trnA）、C–U（trnA、trnG）和A–A（trnM、trnS1）2个 rRNA 在R链上，rrnL为 1494 bp ，rrnS为 821 bp；一个位于trnL1和trnV之间，另一个位于trnV和 CR1之间；A+T含量为69.29%， AT-skew为正值。 重叠和基因间区域L.vittata有四个重叠区，体现在atp8/atp6、trnE/trnF、nad4/nad4L、trnL1/rrnL,四对基因上 ，最长的重叠区在trnL1和rrnL 之间，长度为23bp。发现27个基因间区，长度范围2～3821bp，3个假定的CR区，CR1在rrnS和trnI之间，长 650 bp，A+T含量为80.46%；CR2在cox1和trnL2之间，长3821bp，A+T含72.23%；CR3在trnL2和cox2 之间，长888 bp，A+T含量77.25%。在虾的研究中，L.vittata的线粒体基因组最长的，3个假定的CR区是一个未解决的新问题。为了阐明形成这种现象的机制，还需要更多的线粒体基因组。

基因重排

图3 藻虾科基因重排

L.vittata与十足目动物祖先的基因顺序比较分析，L.groenlandicus顺序没有改变，Lysmata所有物种都有多个CR，L.amboinensis、L.debelius、L.boggessi 有2个，L.vittata 有3个，并且在tRNA和tRNR位置已发生易位。此外与十足目比E.ensirostris、S.marmoratus、T.amboinensis 有不同程度的易位，E.ensirostris的cox2和trnL2 发生易位，S.marmoratus的trnC和trnM-nad2-trnW 发生易位。T.amboinensis产生更多的易位，双基因阻断（nad6-cob-trnS2 、 nad5-trnH-nad4-nad4l）和单个 tRNA 易位（(trnQ、trnT、trnE、trnH、trnY,、trnP,trnC、trnM）。事实上，基因重排在线粒体基因组中是常见现象，主要发生在tRNA基因中。基因排布稳定性可作为虾进化分析的重要系统发育标记。比较藻虾科物种的基因顺序发现它们在进化中是不保守的。

系统发育分析

图4 13 PCGs的核苷酸序列构建的ML和BI 系统进化树

图5 13 个PCGs的氨基酸序列构建的ML和BI 系统进化树

长期以来，Hippolytidae的Lysmata分类地位一直备受争议。本研究使用13个PCG构建ML和BI树。系统发育树表明，Lysmataa和Xhippolysmata形成了一个单系群。S.marmoratus、L.groenlandicus、T.amboinensis 与Alpheidae、Palaemonidae聚集形成单系群。 Hippolytidae聚成一大分枝，Lysmata exhippolysmata）形成一个单系分支，与S.marmoratus-L.groenlandicus/T.amboinensis形成姐妹分支。Hippolytidae的核苷酸拓扑结构与氨基酸的拓扑结构有些差异，但Lysmata-Exhippo-lysmata的单系性得到证实。研究证实了福建红纹鞭腕虾与广州红纹鞭腕虾关系密切，两只虾聚集在一起，树枝长度为零，表明两者之间几乎没有区别。

结论

本研究成功获得L.vittata的线粒体基因组，这是藻虾科的第一个线粒体基因组。mtDNA全长22003bp,包括37 genes 、3个CRs。13个PCG起始密码以 ATN 开始，但cox1、nad4L、cox3分别以 TTG、TTG、GTG开始；nad5、nad4以不完全终止密码子T终止，cox1以TAG终止。线粒体基因组AT-skew和 GC-skew 为负值。与十足目动物祖先的基因顺序比较发现L.vittata的基因顺序发生改变，系统发育分析表明L.vittata与Lysmata/Exhippolysmata属的其他物种形成单系分支。