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1、耳叶苔科psbA基因适应性进化检测与分析1210055113田益宁摘要： D1蛋白质的编码基因是psbA。D1蛋白是光系统（PS）的核心亚基之一，参与维持PS反应中心构象的稳定和电子传递。本文以耳叶苔科植物psbA基因序列作为研究对象，利用分支模型、位点模型、分支位点模型以及FEL模型对psbA基因进行适应性进化分析，分支模型检测到3个可能存在的正选择分支、4个正选择位点以及30个高度保守的位点；因此psbA基因高度保守的特性得到验证。检测可能受到正选择的位点，为D1蛋白的结构和功能研究提供参考信息。基于UCLD分子钟模型估算出耳叶苔科植物最早的分化发生在距今约121百万年前，进入新生代分化速
2、度明显加快，推测与被子植物的兴盛有关。关键词：耳叶苔科；psbA基因；分歧时间；适应性进化；正选择；Detection and analysis of psbA gene Frullaniaceae adaptive evolution1210055113Tian Yi NingAbstract:D1 protein of the encoding gene is psbA. The D1 protein is one of the core subunits of the optical system II (PS II), which is involved in the maintena
3、nce of the stability and electron tra- nsfer of the PS II reaction center. In this paper, Frullaniaceae plant psbA gene sequence as the re- search object, using the branch site model, branch site model, and FEL model of psbA gene anal- lysis of adaptive evolution, The branching model was detected in
4、 3 possible positive selection clades, 4 positive selection sites, and 30 highly conserved loci; Thus the highly conserved proper- ties of psbA genes were verified. The detection may be selected by the site, providing a reference for the structure and function of the D1 protein. Based on the model o
5、f UCLD molecular clock estimate Frullaniaceae differentiation of the earliest plant occurred in about 121 million years ago, the new generation of differentiation into significantly faster, and that the prosperity of the angiosperms.Key words: Frullaniaceae; psbA gene; Divergence time; Adaptive evol
6、ution; Positive selection 叶苔科Jungermaniaceae是苔类中较大科属之一，它建立于叶苔属Jungermannia。从Linne（1753）开始，至近期的K. Mueller（19511956）和Schuster（1969）等苔类学家对本科的包括范围有较大的差异。已知本科植物中国有8属82种。云南已知8属69种。耳叶苔科植物15个分类单位。植物体较多为革质或柔薄,颜色为紫色或暗绿色,有时略具光泽。茎不规则分枝,或不规疏羽状分枝,长可达10厘米以上。D1蛋白不但可以与除草剂阿特拉津结合，而且在光抑制的条件下还会快速的更新，同分子量为34ku的D2蛋白质结合成复合
7、物，在光电子的转运中起着重要的作用。植物中含有叶绿素，通过光合作用能高效的吸收、传递和转换光能。PS 反应中心是主要集中于内囊体膜垛叠基粒膜区的多亚基色素蛋白复合体，至少含有25种蛋白亚基。色素吸收光能后将一部分将水分子光解为氧和氢； 而另一部分经过电子传递 ,最终使 ADP 与磷酸基( Pi) 结合生成ATP，为植物的生长发育带来直接的能量。光系统 ( PS ) 反应中心在这一过程中起着至关重要的作用1，这主要涉及光能的转换 、电子和质子的产生以及分子氧的释放 2。D1 蛋白是 PS 反应中心的两个核心蛋白之一, 对维持 PS 反应中心构象的稳定 、原初电荷的分离以及电子的传递至关重要 3。
8、 psbA 基因编码编码D1蛋白；它不仅是编码 PS 组分的 14 个叶绿体基因中被最先分离 、 克隆和鉴定的基因, 而且也被研究得最多。这些研究大多数为 psbA 基因的克隆、测序 、定位和序列结构 、密码子使用特性 、表达调控及 D1 蛋白的光抑制现象等方面4。在基因水平上对耳叶苔科植物的适应性进化进行分析与检测， 然后识别氨基酸的结构与功能位点，对于揭开生物进化的奥秘和加深对基因结构与生物变异的理解有着重要意义。鉴于psbA基因在光合作用中的重要作用和GenBank中已经收录的大量psbA基因的全系列数据。所以本文以耳叶苔科植物的psbA基因进行适应性进化分析，目的在于：（1）通过估计耳
9、叶苔科各物种间的分歧时间，推测在其进化过程中起影响的因素。（2）检测psbA基因在进化过程中所受到的选择压力。然后推断D1蛋白在结构，功能和环境适应性方面发挥重要作用的位点，为D1蛋白的研究提供参考资料。1材料和方法1.1序列数据由GenBank获得耳叶苔科117种植物 以及外类群4种植物的psbA基因序列（表1）。使用ClustalW软件进行序列比对并进行手工校正。使用 Clustal W 软件进行序列比对 ,在比对后得到的数据矩阵中 , 每条序列包含有353个密码子，1059个核苷酸。根据 Modeltest 3.7 34软件选取的最优核苷酸进化模型 GTR+I+G 设置似然模型参数。采用
10、 Mrbayes 3.1.2 33软件经贝叶斯途径构建耳叶苔科的系统发育树。系统发育模型的后验概率依据 Mropolis-Hastings-Green 算法通过 4 条链( Markov ChainMonte Carlo ,MCMC)运行15 000000代估计。利用Tracer v1.4.1软件35检验各参数的收敛程度，取样大小( ESS , efficientsampling size) 值均大于 500 时 ,即可认为运算达到收敛。MCMC 分析以随机树起始, 每 100 代保存 1棵树, 最初的 37 500 棵树被当作老化样本摒弃, 剩余样本由 Figtree v1.2.3 软件7构
11、建系统发育树。现代生物学的基础是进化论和遗传学。建立一组物种上的进化树是进化生物学以及与此相关的遗传学、流行病学研究的基本手段5。通过系统发育分析推断或者评估进化关系，一般用分支图表（进化树）来表示。1.2进化分析在位点模型、分支模型和分支-位点模型下采用位点间取不同值的最大似然法模型（Maximum Likelihood Models）。最大似然法是一种比较严格的参数估计方法，可以基于密码子替换模型检测不同位点承受的选择压力，尤其是氨基酸水平的正选择位点。分支-位点模型假定不同位点有不同的选择压力， 而在系统树的不同分支上并无差异。本研究比较了 3 对模型， 即 Mla(近中性)和 M2a(
12、选择)、 M0(单一值率)和 M3(离散)以及 M7(beta)和M8(beta和)， 检测是否存在正选择位。通过度量核苷酸序列非同义替换率(dN) 与同义替换率(dS)的比值()， 可以判断自然选择对非同义替换的固定是起推动还是阻碍作用。当dN/dS 大于1 时，证明蛋白质发生有益的氨基酸替换，表现为正选择作用。表1 植物材料及其psbA基因GenBank登录号 Table 1 Plant materials and their psbA gene GenBank accession numbers中文名Chinese name学名Species nameGenebank登录号Accessi
13、on number-Frullanoides mexicana Slageren. EF011851-Frullania aculeata Taylor FJ380698喙尖耳叶苔Frullania acutiloba Mitt.FJ380572-Frullania aff. neurota Costa & Gradstein FJ380637-Frullania amplicrania Steph.FJ380599-Frullania ampullifera J.B. Jack & Steph.FJ380561-Frullania anderssonii Angstrom.FJ380558-
14、Frullania angulata Mitt.FJ380703-Frullania anomala E.A. Hodgs. FJ380611-Frullania apicalis Mitt.FJ380695尖叶耳叶苔Frullania apiculata (Reinw., Blume & Nees) Dumort. FJ380681折扇耳叶苔Frullania arecae (Spreng.) GottscheFJ380624-Frullania armitiana Steph.FJ380676-Frullania aterrima (Hook.f. & Taylor) Gottsche,
15、Lindenb. & NeesFJ380680-Frullania atrata (Sw.) Dumort.FJ380687-Frullania azorica Sim-Sim et al.FJ380586缅甸耳叶苔Frullania berthoumieuii Steph.FJ380563细茎耳叶苔Frullania bolanderi Austin.FJ380671-Frullania brasiliensis RaddiFJ380700-Frullania brittoniae A. Evans.FJ380592-Frullania californica (Austin ex Underw.) A. EvansFJ380658-Frullania cf. madothecoides Davis AY607942-Frullania chevalieri (R.M. Schust.) R.M. Schust. FJ380616-Frullania congesta (Hook.f. & Taylor) Hook.f. & Taylor ex Gottsche et al.FJ380645-Frullania cuencensis TaylorFJ380636-Frullani
