蝙蝠的味觉基因、海藻糖酶基因的分子进化及其在食性适应中的意义

论文摘要

翼手目动物,俗称蝙蝠,是唯一具备真正飞行能力的哺乳动物类群。蝙蝠的数量庞大,是哺乳动物中仅次于啮齿目的第二大类群。此外,蝙蝠的食性分化显著,包括食虫、食果、食蜜、食肉、食鱼、吸血、杂食等食性。伴随着食性的分化,蝙蝠在化学感知和消化系统等方面产生了许多适应性的特征。本文通过研究三种食性相关的基因(苦味受体基因、甜味受体基因和海藻糖酶基因)在蝙蝠中的分子进化历史,试图揭示蝙蝠食性适应的分子进化机制。首先,本文对蝙蝠的苦味受体基因(Tas2rs)进行了全面深入的的研究。之前的研究显示,食性塑造了苦味受体基因在脊椎动物中的演化。食物成分中苦味物质的含量与物种所含有的苦味受体基因的数目呈正相关。本研究利用15种蝙蝠的基因组数据进行了苦味受体基因的鉴定,结果显示,尽管食虫蝙蝠可能摄入的苦味物质更多,但它们的苦味受体基因的数目与食果蝙蝠的并没有显著区别。该结果提示,食性并不是塑造蝙蝠苦味受体基因演化的主要因素。有意思的是,三种鼠耳蝠的苦味受体基因都发生了明显的扩张;通过构建基因树发现,苦味受体基因在鼠耳蝠属的祖先处发生了多次的复制事件。接下来,本研究对鼠耳蝠特异复制的苦味受体基因(Tas2r16、Tas2r18和Tas2r41)进行了选择压分析,结果显示正选择驱动了复制基因的进化。最后,本研究选取了大卫鼠耳蝠的三个Tas2r16的拷贝进行了细胞水平的功能实验。结果显示,大卫鼠耳蝠的Tas2r16不仅与两个外群存在着显著的功能分化,三个拷贝之间也有着明显的功能差异,甚至在某些拷贝中还产生了新的功能。鼠耳蝠属具有显著的生态多样性,成员多且分布广,能够适应各种各样的环境。因此,本研究提出这样的假说:鼠耳蝠特异的生态多样性驱动了苦味受体基因的复制,而复制基因产生的功能分化能够有效地帮助鼠耳蝠开拓新的栖息地。其次,本文探究了甜味受体基因(Tas1r2/Tas1r3)在蝙蝠中的功能演化。甜味受体是用来感知食物中的甜味物质的;然而,由于有些食肉动物的食物成分不含有甜味物质,它们的甜味受体基因就变成了假基因,丧失了感知甜味的功能。本研究对现有蝙蝠的基因组进行了挖掘,鉴定出了甜味受体基因。同时,针对一些没有已知基因组的蝙蝠物种,我们扩增得到了它们甜味受体基因的编码序列。序列分析的结果显示,无论是食物成分中不含糖分的食虫蝙蝠还是食物中含有糖分的食果蝙蝠,它们的甜味受体基因都是完整的,并没有发生移码突变。接着,我们分别对甜味受体基因Tas1r2和Tas1r3进行了选择压分析,结果显示,Tas1r2在不同食性的蝙蝠中受到的选择压力是相似的,都受到了强烈的功能约束。另外一个甜味受体基因Tas1r3在食果蝙蝠中的的进化速度要比在食虫蝙蝠中的快,但是并没有检测到正选择信号。最后,本研究对两种食果蝙蝠和一种食虫蝙蝠的甜味受体基因进行了细胞水平的功能实验。通过配体受体的结合实验,检测了不同食性的蝙蝠的甜味受体对几种甜味物质的反应。实验结果显示:尽管反应敏感度不同,两种食果蝙蝠的甜味受体对几种甜味物质都有反应。相反地,食虫蝙蝠的甜味受体对这些甜味没有任何反应。以上结果证实了食性驱动了蝙蝠甜味受体基因的功能演化。同时,本研究也强调了在功能基因的分子进化研究中功能验证的重要性。最后,我们对蝙蝠和其它哺乳动物的海藻糖酶基因(Treh)进行了分子进化研究。昆虫的血糖是海藻糖,因此食虫哺乳动物需要较高的海藻糖酶的酶活来降解食物中的海藻糖。之前的研究发现,伴随着食性从食虫到非食虫的转变,蝙蝠海藻糖酶的酶活呈现出了显著的下降趋势。本研究通过鉴定和扩增得到了26种蝙蝠和119种哺乳动物的海藻糖酶基因序列信息。结果显示,食虫蝙蝠的Treh都是完整的,并且受到了强烈的纯化选择;但是,大多数非食虫蝙蝠的Treh都发生了假基因化。组织酶活的实验结果也显示,食虫蝙蝠具有较高的海藻糖酶酶活,食果蝙蝠的海藻糖酶酶活较低,甚至于完全没有。本研究在整个哺乳动物类群中也发现了类似的规律:许多非食虫哺乳动物的Treh发生了假基因化。此外,我们的系统发生逻辑回归分析证实了昆虫的摄入量与Treh的保留或丢失具有显著的正相关关系。本研究揭示了海藻糖酶基因在哺乳动物中的进化与食性分化紧密相关。

论文目录

• 论文创新点
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   第一节 蝙蝠概述
•   第二节 蝙蝠食性的多样化
•   第三节 蝙蝠食性适应的研究进展
• 第二章 蝙蝠苦味受体基因的分子进化
•   第一节 前言
•   第二节 材料与方法
•     2.2.1 蝙蝠基因组数据
•     2.2.2 蝙蝠苦味受体基因的鉴定与命名
•     2.2.3 苦味受体基因在蝙蝠中进化历史的重建
•     2.2.4 蝙蝠Tas2r16和Tas2r41 基因的扩增与测序
•     2.2.5 苦味受体基因的选择压分析
•     2.2.6 蝙蝠 Tas2r16 的细胞实验
•   第三节 研究结果
•     2.3.1 蝙蝠苦味受体基因的分子进化
•     2.3.2 蝙蝠苦味受体基因的复制
•     2.3.3 复制基因的选择压分析
•     2.3.4 苦味受体Tas2r16 新拷贝的功能分化
•   第四节 讨论
• 第三章 蝙蝠甜味受体基因的分子进化
•   第一节 前言
•   第二节 材料与方法
•     3.2.1 甜味受体基因的鉴定与扩增
•     3.2.2 蝙蝠Tas1r2/Tas1r3 的分子进化分析
•     3.2.3 甜味受体基因Tas1r2/Tas1r3 表达质粒的构建
•     3.2.4 蝙蝠甜味受体的功能实验
•   第三节 研究结果
•     3.3.1 蝙蝠甜味受体基因序列的获取
•     3.3.2 蝙蝠甜味受体基因系统发育树的重建
•     3.3.3 甜味受体基因在蝙蝠中的分子进化
•     3.3.4 蝙蝠甜味受体的功能实验
•   第四节 讨论
• 第四章 蝙蝠海藻糖酶基因的分子进化
•   第一节 前言
•   第二节 材料与方法
•     4.2.1 海藻糖酶基因的鉴定
•     4.2.2 蝙蝠Treh基因序列的扩增
•     4.2.3 蝙蝠Treh的进化分析
•     4.2.4 组织酶活实验
•     4.2.5 假基因化时间的估算
•     4.2.6 哺乳动物食性划分
•   第三节 研究结果
•     4.3.1 蝙蝠Treh的序列收集
•     4.3.2 食虫蝙蝠Treh的保守性
•     4.3.3 非食虫蝙蝠Treh的假基因化
•     4.3.4 蝙蝠Treh的分子进化分析
•     4.3.5 小肠组织的酶活实验
•     4.3.6 非食虫哺乳动物中Treh的假基因化
•     4.3.7 系统发生逻辑回归分析
•     4.3.8 假基因化时间的估算
•   第四节 讨论
•   第五节 附录
• 参考文献
• 攻读博士期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 焦恒武

导师: 赵华斌

关键词: 蝙蝠,食性,味觉基因,海藻糖酶基因,分子进化

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 武汉大学

分类号: Q953

总页数: 122

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