苔藓植物线粒体基因组的进化研究.pdf

博士学位论文 p h d d i s s e r t a t i o n 苔藓植物线粒体基因组的进化研究 t h ee v o l u t i o no fb r y o p h y t em i t o c h o n d r i a lg e n o m e s 薛佳宇 j i a y ux u e 导师 陈建群教授 s u p e r v i s o r p r o f j i a n q u nc h e n 南京大学生命科学学院 s c h o o lo f l i f es c i e n c e s n a n j i n gu n i v e r s i t y 南京中国南尿甲圊 n a n j i n 易c h i n a 2 0 1 0 年5 月m a y 2 0 1 0 t hee v o l u t i o no fb r y o p h y t em i t o c h o n d r i a lg e n o m e sat h e s i ss u b m i t t e dt ot h ef a c u l t yo ft h eg r a d u a t esc h 0 0 lo fn a n j i n gu n i v e r s i t yb yj i a y ux u ei np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rd e g r e e0 fd o c t o ro fp h i l o s o p h ys u p e r v i s e db yp r o f j i a n q u nc h e ns c h o o lo fl i f es c i e n c e n a n ji n gu n i v e r s i t ym a y 2 0 10 前言 日盯雷 线粒体作为真核生物有氧呼吸的主要场所 为生命活动提供能量支持 线粒体 也是细胞中出了细胞核外两个含有基因组的细胞其之一 它的基因组编码包括呼吸 链复合物 细胞色素c 核糖体蛋白 核糖体r n a t r n a 以及其他一些蛋白在 内的必需物质 这些物质在植物进行正常生命活动中必不可少 而当今对线粒体的 研究却远远没有达到与它的重要性相应的状况 线粒体作为一种重要的专职功能细胞器广泛存在于各类生物的细胞中 而关于 这类细胞器的起源的争论长期以来都存在 为解决这个难题已经提出了多种理论 其中最著名的是连续内共生理论 t h es e r i a le n d o s y m b i o s i st h e o r y 该理论的雏形最 早可以追述到一个世纪以前 十九世纪末s c h i m p e r 认为质粒来源于与细胞内共生 的光合细菌 而a l t m a n n 提出线粒体起源于与原始真核生物细胞内共生的细菌 遗 憾的是在当时 这些理论没有得到足够的重视 直到1 9 6 7 年m a r g u l i s 发表文章重 新诠释了连续内共生理论 另一名科学家t a y l o r 也在不久后发文赞同这个观点 如今在得到足够数量的确凿的分子证据后 连续内共生理论已经成为普遍接受的用 于解释细胞器起源的假说 连续内共生理论提供了一个可以想象的线粒体起源的过程 在十五亿年前 一 个真核生物的祖先 吞噬了一个原始的0 p r o t e o b a c t e r i u m 这个真核生物的祖先非 但没有消化它或者把它排出 反而与之共存下来 而这个a p r o t e o b a c t e r i u m 逐渐丢 失的功能的自主性 成为宿主细胞的一部分 在长期的进化过程中 其基因组被缩 小 结构被改变 甚至又被外来d n a 结合 直至演变成了一个细胞器 线粒 体 在亿万年的进化过程中 伴随着几次生物进化的重大事件 如植物分支的形 成 真菌与动物的分化 以及其他原生生物随着生境的适应进化 线粒体基因组也 相应地在各个类群的生物中进行着带有各自特征性的的进化 这样的独立进化带来 的后果是 在各个类群之间 线粒体基因组的大小 结构和内容 g e n ec o n t e n t 都有 很大的差异 而在同一类群内部 差异相对比较小 基于此事实 线粒体基因非常 适用于系统树的构建 在分子系统分类上应用很广泛 前言 植物拥有所有类群生物中最复杂的线粒体基因组 首先 植物线粒体基因组的 大小远大于其他生物 如地钱m a r c h a n t i ap o l y m o r p h a 的线粒体基因组大小达到 1 8 6 6 0 9b p 拟南芥a r a b i d o p s i st h a l i a n a 则有3 6 6 9 2 4b p 原生生物和真菌一般都 只有数十k b p 很少有1 0 0k b 以上 动物甚至大多只有1 6k b p 其次 植物中 尤 其是高等植物内部的基因组重排现象非常频繁 如同是十字花科植物的拟南芥似 t h a l i a n a 和油菜 b r a s s i c an a p u s 线粒体中基因顺序完全不对应 还有其他一些因 素如基因的丢失 g e n el o s s 内含子 i n t r o n 的插入造成基因结构的改变 以及反式 剪切内含子 驴a n s s p l i c e di n t r o n 的出现 都增加了植物线粒体全基因组的测序工作 的难度 因此 人类对植物线粒体基因组的了解比其它真核生物少得多 由于植物线粒体全基因组的测序此前只有在很少种类中完成 给植物线粒体的 进化研究造成了很大的困难 数据的不完整 尤其是一些关键类群数据的缺失 使 得整个研究缺少系统性和整体性 不能从整个陆地植物的框架下看清进化的方向 更不能在类群内部做更深入的探讨 本文的工作极大的补充了之前缺失和稀少的关 键类群苔藓植物的数据 不但建立了一个相对完整的涵盖整个陆地植物的研究框 架 而且对于陆地植物的起源的研究提供了重要的信息 苔藓植物作为植物刚登陆初期的分支 它们的线粒体演化将很大程度上揭示整 个陆地植物中基因组诸多进化事件的起始 包括基因丢失 内含子插入 基因间区 扩张 i n t e r g e n i cs p a c e r se x p a s i o n 基因组内部重排 i n t r a g e n o m i cr e a r r a n g e m e n t r n a 编辑 r n ae d i t i n g 基因组大小环的形成 t h ef o r m a t i o no fs u b g e n o m i cc i r c l e si n a d d i t i o nt ot h em a s t e rg e n o m i cc i r c l e l 为含子反式剪切 叶绿体t r n a 基因代替线粒 体相似基因 t h er e p l a c e m e n to fm i t o c h o n d f i a lr r n ag e n e sb yt h e i rc h l o r o p l a s t c o u n t e r p a r t s 这些时间是否在植物登陆初期就产生 还是在某支苔藓植物分化以 后的时期 或是等到维管植物出现以后 这些事件的出现是否伴随着更加重大的植 物类群分化事件 或者是说植物的分化是否带来线粒体的变化 这些问题将在本文 中展开讨论 本文的探索填补了早期陆地植物线粒体基因组研究的空白 将整个为陆地植物 线粒体基因组的进化研究提供重要的见解 也为陆地植物分子进化系统的重建提供 了重要的证据 中文摘要 垒查堂专业2 q q z 级博士生姓名 茎垡室 指导教师 姓名 职称 堕蕉叠整蕉 摘要 本文依据实验室完成测序 注解和分析的4 个苔藓植物的线粒体基因组以及 n c b i 中已完成植物线粒体基因组数据进行比较基因组学的研究 对早期陆地植物 苔类 藓类和角苔分别进行了类群内部及其它陆地植物类群之间的比较分析 在整 个陆地植物的框架下研究线粒体基因组的进化问题 研究表明陆地植物线粒体基因组的进化分为两个阶段 在苔藓植物中的缓慢进 化阶段和维管植物起源后开始的活跃进化阶段 维管植物相对于苔藓植物 其线粒 体基因组的剧烈膨胀与活跃性进化开始的时间相同 似乎也是活跃性进化开始的标 志 苔藓植物的保守性主要体现在类型相对原始的基因排列顺序上 共有的界限明 显的连续基因板块体现了线粒体基因组在这些植物中缓慢的进化速率 基因组的频 繁重排 反式剪切内含子等现象在苔藓植物中没有出现 也是保守性的完好体现 i 维管植物开始的线粒体基因组活跃进化产生了大量的重排 基因的丢失与替换 r n a 编辑事件 反式剪切内含子以及外源d n a 的进入 使得维管植物线粒体基因 组与苔藓植物相比面目全非 陆地植物的每个类群分化时都获得了一些带有鲜明类 群特征的内含子 使得它们的存在缺失成为分子系统分类上的重要依据 角苔由于 其系统位置的特殊性 其线粒体基因组既展现出苔藓植物的特征 又带有维管植物 的特征 是一类独特的陆地植物 本文的工作完成后使得苔藓植物每个类群内都有两个全测序的线粒体基因组 为研究苔藓各分支内部的线粒体基因组进化状况提供了条件 苔类和藓类各自线粒 体基因组的基因组成 排列顺序 内含子组成都相当保守 类群内几乎没有变化 中文摘要 藓类中的线粒体基因组是陆地植物中最小的 虽然没有基因的大量丢失 但基因间 区的序列长度与区他陆地植物相差巨大 角苔的线粒体基因组虽然总体上看还是非 常保守 但已经开始显露出一些类似维管植物的特征 如大量的基因丢失和假基因 化 类群内部重排的出现 r n a 编辑事件的普遍发生等 大量新内含子和基因间 区的获得弥补了由于基因丢失和假基因化带来的序列损失 苔藓植物线粒体基因组的研究对原本薄弱的早期陆地植物线粒体基因组的研究 是一个极好的完善 对于陆地植物的系统进化及陆地植物起源的研究也提供了很多 重要信息 随着基因组大量测序时代的到来 植物线粒体基因组的进化的研究必将 获得更多的资源和证据 关键词 线粒体基因组 苔藓植物 陆地植物 基因组成 内含子组成 基因排列 顺序 基因间区 r n a 编辑 i v 英文摘要 t h e s i s t h ee v o l u t i o no fb r y o p h y t em i t o c h o n d r i a lg e n o m e s s p e c i a l i z a t i o n e c o l o g y p o s t g r a d u a t e j i a y ux u e m e n t o r p r o f j i a n q u nc h e n a b s t r a c t w i t ht h ef o u rm i t o c h o n d r i a lg e n o m e ss e q u e n c e da n da n n o t a t e df r o mb r y o p h y t e s i no u rl a b a sw e l la so t h e rd a t aa v a i l a b l ef r o mg e n e b a n k w ec a r r i e do u tal a r g es u r v e y o fl a n d p l a n tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e sb yc o m p a r a t i v e a n db i o i n f o r m a t i ca n a l y s e s d i s c u s s e dac o u p l eo fi m p o r t a n ti s s u e so np l a n te v o l u t i o na l la c r o s sl a n dp l a t n t a n dc a m e o u tw i t l ls o m ei n t e r e s t i n gc o n c l u s i o n s o u re x p l o r a t i o nc l e a r l yd i s c o v e r e dt w op h a s e so nl a n dp l a n tm i t o c h o n d r i a l e v o l u t i o n t h ec o n s e r v a t i v ep h a s ei n h e r i t e df r o mt h ec o m m o na n c e s t o ro fs t r e p t o p h y t e s a n dt h ea c t i v ep h a s ea r o s ew i t ht h ee m e r g e n c eo fv a s c u l a rp l a n t s c o i n c i d e n t l y t h e d r a m a t i cs i z ee x p a n s i o no fm i t o c h o n d r i a lg e n o m e si nv a s c u l a rp l a n t sc o m p a r e dw i t h b r y o p h y t e sw a sa b l et od e f i n et h eb o u n d a r yb e t w e e n t h et w op h a s e s t h ec o n s e r v a t i o no f m i t o c h o n d r i a lg e n o m e so fc h a r o p h y t e sa n db r y o p h y t e si sm a n i f e s t e dm a i n l yi nt h e i rg e n e o r d e r t h ec o n s e n s u so ft h em u l t i p l ec o l l i n e a rg e n eb l o c k sf o u n da m o n gt h e s eg r o u p s r e v e a lt h es l o wp a c eo ft h e i rm t d n ae v o l u t i o n a l s o t h ea b s e n c eo fm a s s i v ei n t r a g e n o m i cr e a r r a n g e m e n t s t r a n s s p l i c e d i n t r o n sa n df o r e i g nd n ai n v a s i o n si nt h e s e g r o u p s h e l p e dt o m a i n t a i nt h ec o n s e r v m i o n h o w e v e r t h em a s s i v ei n t r a g e n o m i c r e a r r a n g e m e n t s g e n el o s sa n dp s e u d o l i z a t i o n t r a n s s p l i c e di n t r o n s t h ep r e v a l e n c eo f r n a e d i t i n ga n dt h ei n v a s i o no ff o r e i g nd n a sh a sm a d et h em i t o c h o n d r i a lg e n o m e s i n v a s c u l a rp l a n t s t o t a l l y d i f f e r e n tf r o mt h o s ei nb r y o p h y t e s m i t o c h o n d r i a lg e n o m e e v o l u t i o ns e e m e dt oh a v ee n t e r e dt h ea c t i v ep h a s ea tt h a tt i m ep o i n t s o m ep a r t i c u l a r i n t r o n sw e r eg a i n e db ys p e c i f i cc l a d e so fp l a n t sa f t e rt h e yh a db r a n c h e d a n dt h e i r p r e s e n c e a n da b s e n c eh a v eb e c o m eas o l i d m o l e c u l a rw i t n e s so f p h y l o g e n y v 英文摘要 r e c o n s t r u c t i o n t h eh o r n w o r t s d u et ot h e i r s p e c i f i cs y s t e m a t i cp o s i t i o n t h e i r m i t o c h o n d r i a lg e n o m e sp r e s e n tc h a r a c t e r i s t i c so f b o t hb r y o p h y t e sa n dv a s c u l a rp l a n t s o u re f f o r tt os e q u e n c ee a r l yl a n dp l a n tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e sh a sa d d e dv e r y u s e f u li n f o r m a t i o nt ot h es t u d yo fe v o l u t i o no fm i t o c h o n d r i a lg e n o m e sw i t h i ne v e r y c l a d e so fb r y o p h y t e sa sw e l la st h ee v o l u t i o na m o n ga l lm a j o rl i n e a g e so fl a n dp l a n t s g e n e r a l l ys p e a k i n g t h eg e n ec o n t e n t g e n eo r d e ra n di n t r o nc o n t e n tw i t h i nl i v e r w o r t sa n d m o s s e sa r ee x t r e m e l yc o n s e r v e d r e s p e c t i v e l y m o s s e sp o s s e st h es m a l l e s tm i t o c h o n d r i a l g e n o m e sw i t has i z ea r o u n d10 5k b p b u tt h en u m b e ro fg e n e ss e e m sw e l lm a i n t a i n e d i t i st h e t h el e n g t ho fi n t e r g e n i cs p q c e r st h a tg e n e r a t e st h ed i f f e r e n c e sc o m p a r e dw i t h m t d n a sf r o mo t h e rc l a d e s l o o k i n gc o n s e r v a t i v e t h eh o m w o r tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e s h a v ea l r e a d ys h o w ns o m et r a i t ss i m i l a rt ot h a to fv a s c u l a rp l a n t s l i k et h em a s s i v el o s so f r i b o s o m a lp r o t e i ng e n e s g e n eo r d e rc h a n g ew i t h i nc l a d e sa n dt h ep r e v a l e n c eo fr n a e d i t i n g i n s t e a do fs i z er e d u c t i o n h o m w o r tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e sc o m p e n s a t e dt h e s e q u e n c e l o s sb yg a i n i n gag r e a tn u m b e ro fi n t r o n sa n dt h ee x p a n s i o no fi n t e r g e n i c s p a c e r s b e s i d e s s o m eo r p h a nc l o n e sh a v eb e e nf o u n dw h e ns t u d y i n gt h em i t o c h o n d r i a l g e n o m e so fl i v e r w o r t sa n dh o m w o r t s a n db er e l a t e dw i t hm i t o c h o n d r i a lg e n et r a n s f e rt o n u c l e u s o u re f f o r th a sc o m p l e m e n t e dt h ew e a ka r e ao fm i t o c h o n d r i a lg e n o m ee v o l u t i o ni n e a r l yl a n dp l a n t s a n dp r o v i d e di m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt ot h ep h y l o g e n yr e c o n s t r u c t i o n a n dt h eo r i g i no fl a n dp l a n t s a st h ee r ao fm e g a s e q u e n c i n gc o m i n g o u ru n d e r s t a n d i n g t ot h ep l a n te v o l u t i o nh i s t o r yw i l lb ep r o v i d e dw i t hn u m e r o u sm o l e c u l a re v i d e n c e s k e yw o r d s m i t o c h o n d r i a lg e n o m e b r y o p h y t e l a n dp l a n t e v o l u t i o n g e n ec o n t e n t i n t r o nc o n t e n t g e n eo r d e r i n t e r g e n i cs p a c e r r n ae d i t i n g v i 目录 目录 前言 i 中文摘要 i i i 英文摘要 v 目录 x 第一章绪论 线粒体的起源及其基因组的进化 一1 1 1 线粒体起源的理论 1 1 2 真核生物的起源与线粒体起源的关系 3 1 3 线粒体基因组在各生物类群中的研究现状 6 1 3 1 线粒体基因组的一般特征 6 1 3 2 原生生物线粒体基因组的研究现状 1 2 1 3 3 动物线粒体基因组的研究现状 1 6 1 3 4 真菌线粒体基因组的研究现状 1 6 1 3 5 植物线粒体基因组的研究现状 1 7 第二章苔类植物中线粒体基因组的进化研究 1 9 2 1 引言 苔藓植物的系统进化分析 1 9 2 2 材料和方法 2 0 2 2 1p l e u r o z i ap u r p u r e a 线粒体d n a 的采集 制备和测序 2 0 2 2 2p l e u r o z i ap u r p u r e a 线粒体基因组的注释和分析 2 1 2 3 结果 2 2 2 4 1 概述 2 2 2 4 2 基因组成 2 4 2 4 3 内含子 2 9 2 4 4 基因排列顺序 3 0 2 4 5 基因间区和o r f 3 0 2 4 6 线粒体基因向核基因组的转移 3 2 v i i 目录 2 4 讨论及展望 3 2 2 5 小结 3 4 第三章藓类植物线粒体基因组的进化研究 3 5 3 1 引言 3 5 3 2 材料与方法 3 5 3 2 1a n o m o d o nr u g e l i i 线粒体d n a 的采集 制备和测序 3 5 3 2 2a n o m o d o nr u g e l i i 线粒体基因组的注释和分析 3 6 3 3 结果 3 6 3 3 1 概述 3 6 3 3 2 基因组成 3 8 3 3 3 内含子 3 9 3 3 4 基因排列顺序 3 9 3 3 5 基因间区和o r f 4 0 3 4 讨论与展望 4 2 3 5 小结 4 4 第四章角苔植物的线粒体基因组的进化研究 4 5 4 1 引言 4 5 4 2 材料与方法 4 5 4 2 1p h a e o c e r o sl a e v i s 线粒体d n a 的采集 制备和测序 4 5 4 2 2p h a e o c e r o sl a e v i s 基因组的注释和分析 4 6 4 3 结果 4 6 4 3 1 概述 4 6 4 3 2 基因组成 4 8 4 3 3 内含子 5 0 4 3 4 基因排列顺序 51 4 3 5 基因间区和o r f 一5 1 4 3 6r n a 编辑 5 3 4 4 讨论 5 7 目录 4 4 1 基因组成 5 7 4 4 2 内含子组成 5 8 4 4 3 基因排列和重复序列 5 8 4 4 4 线粒体基因向核基因组的转移 6 2 4 5 小结 6 3 第五章苔藓植物三大类群之间的线粒体基因组比较 6 4 5 1 引言 6 4 5 2 基因组的大小变化 6 4 5 3 基因组成 6 4 5 4 内含子组成 6 5 5 5 基因排列 6 6 5 6 小结 6 9 第六章陆地植物线粒体基因组的进化 7 0 6 1 轮藻和陆地植物的系统进化关系 7 0 6 1 1 轮藻的系统进化关系 7 0 6 1 2 陆地植物的系统进化关系 7 3 6 2 陆地植物线粒体进化的总体特征 7 4 6 6 陆地植物的线粒体基因组的基因组成的进化 7 6 6 4 陆地植物的线粒体基因组内含子组成的进化 8 3 6 5 陆地植物的线粒体基因组基因的重排现象 8 9 6 6 陆地植物的线粒体基因组基因的r n a 编辑现象 9 4 第四章问题和展望 陆地植物线粒体基因组的研究与 陆地植物分子系统进化的联系 9 6 结论 9 8 致谢 1 0 0 参考文献 1 0 1 附录部分 1 2 9 附录a p i e u r o z i ap u r p u r e a 和m a r c h a n t i ap o l y m o r p h a 线粒体基因组 i x 目录 基因长度和相似度比较 1 3 0 附录b p h y s c o m i t r e l l a p a t e n s 和a n o m o d o nr u g e l i i 线粒体基因组 基因长度和相似度比较 1 3 2 附录c m e g a c e r o sa e n i g m a t i c u s 和p h a e o c e r o sl a e v i s 线粒体基因组 基因长度和相似度比较 1 3 4 附录d p l e u r o z i a p u r p u r e a 和m a r c h a n t i a p o l y m o r p h a 线粒体基因 c c m f c 序列排列比较 13 5 附录e 在读期间发表的论文情况 1 3 7 x 第一章绪论一线粒体的起源及其基因组的进化 第一章绪论 线粒体的起源及其基因组的进化 1 1 线粒体起源的理论 线粒体作为细胞中担任能量转换功能的细胞器 为生物体的生命活动提供能 量 其重要性不言而喻 线粒体的起源问题也一直是进化生物学上争论的话题 连 续内共生理论 t h es e r i a le n d o s y m b i o s i st h e o r y 为划上一个多世纪以来的争议提供了 一个完美的解答 过去2 0 年对线粒体d n a 的研究不但证实了线粒体起源于远古 的真细菌 e u b a c t e r i a 更进一步追踪到a p r o t e o b a c t e r i a 与线粒体有非常密切的关 系 0 p r o t e o b a c t e r i a 中的立克次氏体属 r i c k e t t s i a 边虫属似n a p l a s m a 和埃里希体 属 e h r l i c h i a 被认为是与线粒体有最紧密的亲缘关系 l 5 连续内共生理论提供了一个可以想象的线粒体起源的过程 在十五亿年前 一 个真核生物的祖先 意外地 吞噬了一个原始的a p r o t e o b a c t e r i u m 这个真核生物的 祖先非但没有消化它或者把它排出 反而与之共存下来 而这个a p r o t e o b a c t e r i u m 逐渐丢失的功能的自主性 成为宿主细胞的一部分 在长期的进化过程中 它的基 因组被缩小 结构被改变 甚至又被外来d n a 结合 直至演变成了一个细胞器一 一线粒体 连续内共生理论同样也对植物另一个细胞器叶绿体的起源提供了合理的 解释 成为解决生物最重要的两大细胞器起源问题最有说服力的假说 1 9 9 7 年 异养型原生动物r e c l i n o m o n a sa m e r i c a n a 的线粒体基因组图谱 图1 1 被描述为 史无前例地 与细菌基因组相像 6 r a m e r i c a n a 属于真核生物进化初期 分支j a k o b i d 代表着比较原始的真核生物 基因组承载的性状与祖先相似 它是 至今为止已知的拥有最多的基因的线粒体基因组 9 7 个 几乎可以看成是一个微缩 版的细菌基因组 并且几个当时首次在线粒体中发现的几个基因s e c y 甲刎 d 均带有明显细菌特征 无一不揭示了r a m e r i c a n a 线粒体基因组的细菌起源 1 9 9 8 年引起流行性虱传斑疹伤寒细菌r i c k e t t s i ap r o w a z e k i i 的基因组图谱也被破解 7 1 是 至今与线粒体基因组最相似的细菌基因组 这两个基因组现在成为区分线粒体与它 们的亲缘细菌界限的标准 8 j 第一章绪论一线粒体的起源及其基因组的进化 r i c k e t t sj a 图1 1 一些真核生物线粒体基因组的大小和基因组组成与a p r o t e o b a c t e r i a 与 r i c k e t t s i ap r o w a z e k i i 基因组的 w f i g 1 1s i z ea n dg e n ec o n t e n to fs e l e c t e dm i t o c h o n d r i a lg e n o m e sc o m p a r e dw i t ha n0 p r o t e o b a c t e r i a l r i c k e t t s i a g e n o m e c i r c l e sa n dl i n e sr e p r e s e n tc i r c u l a ra n dl i n e a r g e n o m es h a p e s r e s p e c t i v e l y f o rg e n o m e s 耋6 0k b p t h ed n ac o d i n gf o rg e n e sw i t h k n o w nf u n c t i o n r e d i sd i s t i n g u i s h e df r o mt h a tc o d i n gf o ru n i d e n t i f i e do r f sa n d i n t e r g e n i cs e q u e n c e s b l u e s p e c i e sn a m e sa r ec h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i c h l a m y d o m o n a se u g a m e t o s a n ds c h i z o s a c c h a r o m y c e sp o m b e 例 通过s s ur r n a 1 0 和蛋白质 7 的数据分析 得到的系统树支持所有的线粒体来 源于一个共同的祖先 即表明线粒体内共生被认为是一次生物进化史上的独立事 件 此外 以细菌和真核生物基因组共同拥有的基因c o b a p o c y t o c h r o m e6 c o x l 3 c y t o c h r o m eo x i d a s es u b u n i t sl 一3 为基础的系统进化树 图1 2 展现了a p r o t e o b a c t e r i a 与线粒体之间的关系 选取这四个基因而没有用s s ur r n a 基因是因 为s s ur r n a 基因在不同类群生物中表现出明显的核酸序列进化速率差异 可能造 成长支吸引的发生 把细菌基因组和线粒体基因组错误地放置到一起 而这四个基 因在进化上都非常保守 不会出现进化速率的巨大差异 同时单个基因的建树信号 位置不足的问题也顺利解决 该结果不止很好地支持了线粒体的单一起源 也展现 了0 p r o t e o b a c t e r i a 各个分支的相对稳定的进化速率 图中也观察到0 t p r o t e o b a c t e r i a 2 第一章绪论一线粒体的起源及其基因组的进化 中其他类群细菌与线粒体亲缘程度 与立克次氏体科 r i c k e t t s i a c e a e 的不相上下 由于线粒体的单一来源 其基因组成为一个系统进化研究理想的对象 图1 2 线粒体与0 p r o t e o b a c t e r i a 的系统关系 9 f i g 1 2p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p sa m o n gm i t o c h o n d f i aa n d 伍 p r o t e o b a c t e r i a 9 1 2 真核生物的起源与线粒体起源的关系 目前为止多数观点倾向于支持真核生物起源先于内共生事件的发生 一个不含 线粒体的原始真核细胞偶然地融合了一个原始0 p r o t e o b a c t e r i u m 真核生物先于线 粒体起源的观点在2 0 世纪9 0 年代由于一些无线粒体 a m i t o c h o n d r i a t e 的真核生物 被鉴定出而得到了巩固 1 1 1 2 这类生物被c a v a l i e r s m i t h 命名为源真核生物 a r c h e z o a 即真核生物在进化初期在线粒体内共生事件前的生物分支 l3 1 源真核 生物的发现同时完美地证明了线粒体内共生事件在生物进化史上的只发生过一次 它们细胞骨架的原始性 不完整的内膜和过氧化物酶体等其他细胞器的缺失代表 着真核生物最原始的状态 同时s s ur r n a 的进化树也成功地把源真核生物放置到 了真核生物系统树的基部 成为真核生物最早的分支 1 4 1 6 源真核生物包括微孢子 虫 m i c r o s p o r i d i a 贾第虫 m e t a m o n a d a 和毛滴虫 p a r a b a s a l i a 都属于内变形虫类 e n t a m o e b a 是变形虫 a o e m b o z o a 的一个亚类群 3 第一章绪论一线粒体的起源及其基因组的进化 实际上s s ur r n a 的分析结果并不是把所有的无线粒体真核生物都安置到真核 生物系统树的基部 一些无线粒体真核生物实际上是真核生物进化后期才分化出 来 而它们的线粒体缺失缘于进化史上的二次丢失 s e c o n d a r yl o s s 一个典型的例 子来自于痢疾阿米巴虫e n t a m o e b ah t o l y t i c a l l 7 1 8 1 由于该生物细胞中不存在线粒 体 过氧化物酶体 高尔基体和内质网 起初被认为是一类源真核生物 但它的核 基因组编码典型的线粒体基因 包括内膜嘧啶核苷酸转氢酶和线粒体热激蛋白 c p n 6 0 c p n 6 0 后来被发现与一个从线粒体演化出来的细胞器结合 该细胞器只 有l u m 的大小 但足以证明线粒体在该生物中曾经存在 上述情况也是线粒体基 因向核基因转移现象的证吲1 9 2 1 1 h y d r o g e n s o m e 某些纤毛虫细胞中一个产生氢 气的细胞器 2 2 1 与线粒体有相似的功能 1 也被认为是异化了的线粒体 2 4 2 5 编 码真核生物异戊氨酰t r n a 合成酶 v a l y l t r n as y n t h e t a s e 被认为是内共生早期从 p r o t e o b a c t e r i u m 转移到原始真核生物的核中的基因 2 6 2 7 1 对于该基因的系统进化 分析得出g i a r d i al a m b l i a 和t r i c h o m o n a sv a g i n a l i s 细胞中也曾经存在过线粒体1 2 8 从s s ur r n a 系统树上以及翻译活动的延长因子e f 1 0 t 和e f 2 的序列构成的 分子进化树上都支持源真核生物的原始性 2 8 2 9 1 但是微管蛋 t u b u l i n 3 0 3 1 1 和r n a 合成酶i i r n ap o l y m e r a s ei i 3 2 序列的分子进化分析 发现贾第虫与真菌有很近的 亲缘关系 热休克蛋白n s p 7 0 3 3 3 4 的数据也支持上述发现 而实际上e f 10 和e f 2 的数据对于贾第虫在真核生物初期起源的支持率很低 对微孢子虫和毛滴虫也是 一样 3 2 这样的话对于这些无线粒体真核生物的分化时间就很值得怀疑t t 3 5 1 即 使从s s ur r n a 系统树上 也有人得出不同的见解 由于源真核生物的支长很长 而动物 植物 真菌及其他原生生物的支长相对短了很多 1 7 这样除源真核生物 外 其他真核生物形成了一个放射状的皇冠结构 源真核生物则可能因为支长较长 与同样支长很长的细菌和真细菌放到一起 被机械地放置到它们不应该出现的真核 生物最基部位置 3 6 3 8 其他一些研究结果发现在生物进化初期 s s ur r n a 系统树 有趋向于不可解决的多分支坍塌趋势 39 1 从而得到另一个可能性 真核生物起源 后很短时间内发生辐射型的物种分化 4 0 而这样的可能性建立在一个假设下 源 真核生物和其他真核生物的进化距离被大大高估了 实际上他们之间的分化以及其 4 第一章绪论一线粒体的起源及其基因组的进化 他真核生物的分化都发生在很短的进化时间内 在这种情况下 讨论源真核生物也 就失去意义了 a r c h a e b a c t e r i u m e u k a r y o t e m i t o c h o n d r i a p r o t e o b a c t e r i u m 图1 3 氢气假说描述的真核生物和线粒体的起源过程 8 c t e r i u m f i g 1 3 a l t e r n a t i v eh y p o t h e s e sd e s c r i b i n gt h eo r i g i no fe u k a r y o t i cc e l l l a v e n d e ra r r o w s s i m u l t a n e o u sc r e a t i o no ft h ee u k a r y o t i cn u c l e u s g r a y a n dm i t o c h o n d r i o n o r a n g e b y f u s i o no fah y d r o g e n r e q u i r i n g m e t h a n o g e 一 n i ca r c h a e b a c t e r i u mh o s t w i t ha hy drogenproducing a p r o t e o b a c t e r i u ms y m b i o n t m a g e n t aa r r o w st w os t e ps c e n a r i oi n i t i a l l y i n v o l v i n gf o r m a t i o no fa na m i t o c h o n d r i a t ee u k a r y o t eb yf u s i o no fa na r c h a e b a c t e r i u m a n d0 p r o t e o b a c t e r i u m t 4 2 f o l l o w e db ya c q u i s i t i o no ft h em i t o c h o n d r i o nt h r o u g h e n d o s y m b i o s i sw i t ha na p r o t e o b a c t e r i u m