基于16S rRNA基因与全基因组信息的放线菌系统学研究

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放线菌是一类高G+C含量的革兰氏阳性细菌,具有丰富的形态、生理及细胞化学特征,也是细菌域内被发现物种多样性最为丰富的类群之一。随着DNA测序技术的突破和分子进化研究中数学方法的发展,放线菌系统分类从传统的形态和化学分类过度到了多相分类时代。1997年Stackebrandt,Rainey和Ward—Rainey对放线菌分类系统的描述,标志着以分子系统学为主的现代分类系统的形成并开始被广泛接受。最新的统计数据显示放线菌门包含241个属,较之97年的系统规模,12年来扩大了近2.2倍。新16s rRNA基因序列数据对放线菌分类系统的结构和特征性核苷酸数据势必产生影响。经过详细的系统发育和特征性核苷酸的分析比较,建议成立多孢放线菌亚目Actinopolysporineae subord.nov.,多孢放线菌科Actinopolysporaceae fam.nov.,动孢菌亚目Kineosporiineae subord.nov.,动孢菌科Kineosporiaceae fam.nov.,姜氏菌亚目 Jiangellineae subord.nov.,姜氏菌科Jiangellaceae fam.nov.,阮氏菌科Ruaniaceae fam.nov.,荧光孢囊菌科Crytosporangiaceae fam.nov.和布登堡菌科Beutenbergiaceae fam.nov.;对诺卡氏菌科Nocardiaceae进行修订描述,并对放线菌门中科及科以上级分类单元的特征性核苷酸数据进行了更新。   系统学的研究不仅局限于各级分类单元的数目确定上,更重要的研究内容即是分类单元之间的关系。众所周知,16S rRNA的系统发育由于信息量有限,很难给我们描绘一个清晰的分类单元之间的关系图。因此,尝试其他方法显得尤为重要。通过建立相关的研究方法,我们对放线菌16S rRNA的二级结构进行了聚类分析。结果显示二级结构与一级序列在揭示物种间关系方面(聚类关系)仅有70%的相似性,且二级结构间的距离要远低于一级序列间的距离。由于低级结构对高级结构的决定性使得他们之间存在一定的关系,但两者之间的差异是不可忽视的。新一代测序技术的突破使我们有可能接触到更多放线菌的基因组信息,也使进行以基因组为基础的系统发育研究成为可能。截止2010—03-07,已有94个放线菌菌株完成测序(90个数据可得),分布于16个目或亚目,34个科。直系同源基因的鉴定和看家基因的定点搜索发现放线菌有近70个基因,在放线菌内普遍存在且为单拷贝。基于序列的系统发育分析证明信息量的增大确实能够得到统计上可靠的进化关系。比较系统发育树的分枝关系发现红色杆菌亚纲与红蝽菌亚纲、放线菌目与双歧杆菌目、微球菌亚目与其它放线菌目中的亚目,它们之间的关系与16S rRNA系统发育揭示的不同。放线菌亚纲中各主要类群在进化历史上短时间内完成了类群的分化,应属于多分枝的进化关系,而不是二叉分枝;双歧杆菌应起源于微球菌亚目的一个分枝,特殊的生境加快了其16S rRNA基因进化速率;弗兰克氏菌亚目的物种可能起源于多个祖先。因此不管是16S rRNA基因的最大似然树和最大简约树,还是基于基因组的系统发育分析,弗兰克氏菌都有分散的树型分布现象。总之,随着研究的深入,放线菌的系统发育历史越来越清晰,相信更多放线菌的基因组信息终将能够让人们了解一个真实可靠的进化历史,理解原核微生物种的概念,甚至可能改变现有的分类系统,使之向更合理的方向发展。
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