社会性昆虫抗菌肽基因的分子进化研究

论文摘要

社会性昆虫在上亿年的进化过程中,形成了许多行之有效的分子进化机制,为我们研究分子进化提供了一个良好的模式系统。我们选取三种白蚁(黑翅土白蚁Odontotermes formosanus(Shiraki)、黄翅大白蚁Macrotermes barneyi Light和黑胸散白蚁Reticulitermes chinensis Snyder)和一种蜜蜂(中华蜜蜂Apis ceranaFabricius)为实验材料。根据已知的抗菌肽cDNA基因设计引物,通过反转录PCR的方法从构建的cDNA文库中扩增获得抗菌肽cDNA基因,并运用各种生物信息学软件进行遗传进化分析。本研究得到的结果和结论如下:(1)黑翅土白蚁Termicin家族基因共计含56个不同的cDNA基因,编码46个不同的抗菌肽;黄翅大白蚁Termicin家族基因共计含54个不同的cDNA基因,编码37个不同的抗菌肽;黑胸散白蚁Termicin家族基因共计含38个不同的cDNA基因,编码21个不同的抗菌肽。(2)黑翅土白蚁和黄翅大白蚁Termicin前体基因dN/dS值大于1,表明两种白蚁Termicin基因采取正选择的进化方式,两种白蚁受到的环境选择压力为正选择压力。黑胸散白蚁前体基因dN/dS值小于1,表明黑胸散白蚁Termicin基因采取负选择的进化方式,黑胸散白蚁受到的环境选择压力为负选择压力。黑翅土白蚁和黄翅大白蚁Termicin前体基因成熟肽区dN/dS值大于前体基因dN/dS的值,表明Termicin前体基因面临的环境选择压力主要体现在成熟肽区。(3)中华蜜蜂总计含87个不同的抗菌肽基因和26个不同的抗菌肽。其中Defensin家族基因含29个不同的cDNA基因,编码7个Defensin肽;Abaecin家族基因含11个不同的cDNA基因,编码2个Abaecin肽;Apidaecin家族基因含13个不同的cDNA基因,编码4个Apidaecin肽;Hymenoptaecin家族基因含34个不同的cDNA基因,编码13个Hymenoptaecin肽。(4)通过与意大利蜜蜂Apis mellifera L.的比较分析发现,中华蜜蜂比意大利蜜蜂含更丰富的抗菌肽基因(87∶16)和抗菌肽(26∶11),尤其是具有更丰富的Hymenoptaecin基因(34∶2)和更多数量的Hymenoptaecin肽(13∶1)。这可能是因为长期的家养驯化使意大利蜜蜂基因退化的缘故。(5)系统发育分析表明,几种社会性昆虫的抗菌肽基因均为同源基因。根据基因的“自私性”法则,我们预测上述社会性昆虫的抗菌肽基因家族可能存在一些在长期的进化过程将被淘汰的假基因或不必要基因。

论文目录

• 致谢
• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 抗菌肽在生物体内免疫体系中的作用
• 1.2 昆虫抗菌肽的理化性质
• 1.3 昆虫抗菌肽的分类
• 1.3.1 天蚕素类
• 1.3.2 富含半胱氨酸的抗菌肽
• 1.3.3 富含甘氨酸的抗茵肽
• 1.3.4 富含脯氨酸或精氨酸的抗菌肽
• 1.4 昆虫抗菌肽的生物活性
• 1.4.1 抗细菌能力
• 1.4.2 抗真菌能力
• 1.4.3 抗病毒能力
• 1.4.4 抗肿瘤细胞能力
• 1.4.5 抗原虫能力
• 1.5 昆虫抗菌肽的作用机理
• 1.5.1 抗细菌机理
• 1.5.1.1 膜裂解型
• 1.5.1.2 非膜裂解型
• 1.5.2 抗真菌作用机理
• 1.5.3 抗病毒作用机理
• 1.5.4 抗癌作用机理
• 1.5.5 抗原虫作用机理
• 1.6 抗菌肽结构与功能的关系
• 1.6.1 肽链长度
• 1.6.2 手性特征
• 1.6.3 电荷
• 1.7 蜜蜂和白蚁体液抗菌肽的研究概况
• 1.7.1 蜜蜂体液抗菌肽的研究概况
• 1.7.1.1 蜜蜂Apidaecin
• 1.7.1.2 蜜蜂Abaecin
• 1.7.1.3 蜜蜂Hymenoptaecin
• 1.7.1.4 蜜蜂Defensin
• 1.7.2 白蚁体液抗菌肽的研究概况
• 1.8 不同生物分子进化策略的最新研究概况
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 基本实验材料
• 2.1.1 中华蜜蜂
• 2.1.2 三种白蚁
• 2.2 基本实验方法
• 2.2.1 cDNA文库构建
• 2.2.1.1 RNA提取
• 2.2.1.2 cDNA第一链合成
• 2.2.1.3 cDNA第二链合成
• 2.2.2 PCR反应
• 2.2.3 琼脂糖凝胶电泳
• 2.2.4 凝胶回收片段
• 2.2.5 连接反应
• 2.2.6 感受态细胞制备
• 2.2.7 连接产物转化感受态细胞
• 2.2.8 序列分析软件
• 2.2.8.1 DAMBE
• 2.2.8.2 MEGA4
• 2.2.8.3 PAML
• 2.2.8.4 其它相关生物信息分析软件
• 第3章 黑翅土白蚁抗菌肽Termicin基因的分子进化
• 3.1 实验方法
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 测序结果统计
• 3.2.2 根据测序结果推导的成熟肽氨基酸序列
• 3.2.3 黑翅土白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列比对
• 3.2.4 黑翅土白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列替代
• 3.2.5 黑翅土白蚁常见Termicin前体信号肽预测
• 3.2.6 黑翅土白蚁常见Termicin基因序列分析
• 3.2.7 黑翅土白蚁Termicin前体基因序列突变
• 3.2.7.1 黑翅土白蚁Termicin前体基因信号肽区碱基替代和突变
• 3.2.7.2 黑翅土白蚁Termicin前体基因成熟肽区碱基替代和突变
• 3.2.7.3 黑翅土白蚁Termicin前体基因碱基替代和突变
• 3.2.8 黑翅土白蚁和其它白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列比对
• 3.2.9 黑翅土白蚁Termicin基因分子进化策略
• 3.2.10 黑翅土白蚁和其它白蚁Termicin基因系统进化
• 3.3 讨论
• 第4章 黄翅大白蚁抗菌肽Termicin基因的分子进化
• 4.1 实验方法
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 测序结果统计
• 4.2.2 根据测序结果推导的成熟肽氨基酸序列
• 4.2.3 黄翅大白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列比对
• 4.2.4 黄翅大白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列替代
• 4.2.5 黄翅大白蚁常见Termicin前体信号肽预测
• 4.2.6 黄翅大白蚁常见Termicin基因序列分析
• 4.2.7 黄翅大白蚁Termicin前体基因序列突变
• 4.2.7.1 黄翅大白蚁Termicin前体基因信号区碱基替代和突变
• 4.2.7.2 黄翅大白蚁Termicin前体基因成熟肽区碱基替代和突变
• 4.2.7.3 黄翅大白蚁Termicin前体基因碱基替代和突变
• 4.2.8 黄翅大白蚁和其它白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列比对
• 4.2.9 黄翅大白蚁Termicin基因分子进化策略
• 4.2.10 黄翅大白蚁和其它白蚁Termicin基因系统进化
• 4.3 讨论
• 第5章 黑胸散白蚁抗菌肽Termicin基因的分子进化
• 5.1 实验方法
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 测序结果统计
• 5.2.2 根据测序结果推导的成熟肽氨基酸序列
• 5.2.3 黑胸散白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列比对
• 5.2.4 黑胸散白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列替代
• 5.2.5 黑胸散白蚁常见Termicin前体信号肽预测
• 5.2.6 黑胸散白蚁常见Termicin基因序列分析
• 5.2.7 黑胸散白蚁Termicin前体基因序列突变
• 5.2.7.1 黑胸散白蚁Termicin前体基因信号肽区碱基替代和突变
• 5.3.7.2 黑胸散白蚁Termicin前体基因成熟肽区碱基替代和突变
• 5.2.7.3 黑胸散白蚁Termicin前体基因碱基替代和突变
• 5.2.8 黑胸散白蚁和其它白蚁Termicin成熟肽氨基酸序列比较
• 5.2.9 黑胸散白蚁Termicin基因分子进化策略
• 5.2.10 黑胸散白蚁和其它白蚁Termicin基因系统进化
• 5.3 讨论
• 第6章 中华蜜蜂抗菌肽基因的分子进化
• 6.1 实验方法
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 中华蜜蜂Abaecin基因克隆结果
• 6.2.1.1 中华蜜蜂和意大利蜜蜂Abaecin成熟肽氨基酸序列比对
• 6.2.1.2 中华蜜蜂Abaecin基因序列分析
• 6.2.1.3 中华蜜蜂Abaecin前体基因碱基突变
• 6.2.2 中华蜜蜂Defensin基因克隆结果
• 6.2.2.1 中华蜜蜂和意大利蜜蜂Defensin成熟肽氨基酸序列比对
• 6.2.2.2 中华蜜蜂Defensin基因序列分析
• 6.2.2.3中华蜜蜂Defensin前体基因碱基突变
• 6.2.3 中华蜜蜂Apidaecin基因克隆结果
• 6.2.3.1 中华蜜蜂和意大利蜜蜂Apidaecin成熟肽氨基酸序列比对
• 6.2.3.2 中华蜜蜂Apidaecin基因序列分析
• 6.2.3.3 中华蜜蜂Apidaecin前体基因碱基突变
• 6.2.4 中华蜜蜂Hymenoptaecin基因克隆结果
• 6.2.4.1 中华蜜蜂和意大利蜜蜂Hymenoptaecin成熟肽氨基酸序列比对
• 6.2.4.2 中华蜜蜂Hymenoptaecin基因序列分析
• 6.2.4.3 中华蜜蜂Hymenoptaecin前体基因碱基突变
• 6.2.5 中华蜜蜂与意大利蜜蜂抗菌肽基因系统进化
• 6.3 讨论
• 6.3.1 中华蜜蜂与意大利蜜蜂4个抗菌肽家族比较
• 6.3.2 蜜蜂4个抗菌肽家族的生物功能
• 6.3.3 中华蜜蜂与意大利蜜蜂抗菌肽基因的分子进化策略
• 6.4 展望与研究方向
• 第7章 总讨论
• 7.1 社会性昆虫抗菌肽基因的分子进化
• 7.2 本论文研究的创新和不足之处及今后的研究方向
• 参考文献
• 附录