異尾次目寄居蟹總科線粒體基因組比較分析及系統(tǒng)發(fā)育研究

江婷琪 胡璧麟 張楠楠 汪凱欣 呂振明 龔 理

(浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 海洋生物種質(zhì)發(fā)掘與利用國家地方聯(lián)合工程研究中心, 舟山 316022)

異尾次目(Anomura)隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門(Arthropoda)軟甲綱(Malacostraca)十足目(Decapoda), 是一類體型介于蝦類和蟹類之間高度特化的甲殼動(dòng)物。根據(jù)形態(tài)特征, 異尾次目可分為鎧甲蝦型(Squat lobster form)、蟹型(Crab-like form)和寄居蟹型(Hermit form)三個(gè)主要類群; 其中, 寄居蟹型又可以分為對(duì)稱寄居蟹型(Symmetrical hermit form)和不對(duì)稱寄居蟹型(Asymmetrical hermit form)。對(duì)稱寄居蟹型常見于門螯寄居蟹科(Pylochelidae)種類, 不對(duì)稱寄居蟹型多見于陸寄居蟹科(Coenobitidae)、擬寄居蟹科(Parapaguridae)和寄居蟹科(Paguridae)絕大多數(shù)種類。寄居蟹獨(dú)特的形態(tài)特征代表了甲殼動(dòng)物從長尾類(Macrura)到短尾類(Brachyura)的過渡狀態(tài), 因而在甲殼動(dòng)物進(jìn)化過程中占據(jù)十分重要的地位[1]。

雖然1802年Latreille就建立了寄居蟹總科(Paguridea), 但是該總科分類系統(tǒng)長期以來未有定論[2,3]。最初的研究把所有寄居蟹都?xì)w于寄居蟹總科, 直至1957年, MacDonald等[4]提出將寄居蟹分為寄居蟹總科和陸寄居蟹總科, 其中寄居蟹總科包括石蟹科(Lithodidae)、擬寄居蟹科和寄居蟹科, 陸寄居蟹總科包括陸寄居蟹科和活額寄居蟹科(Diogenidae),該分類體系并未考慮澳洲寄居蟹科(Lomisidae) 的歸屬。McLaughlin[5]則認(rèn)為澳洲寄居蟹科應(yīng)該歸屬獨(dú)立總科, 同時(shí)提議廢除陸寄居蟹總科, 僅保留寄居蟹總科。Martin和Davis[6]支持僅設(shè)寄居蟹總科的觀點(diǎn), 并新增門螯寄居蟹科。McLaughlin等[7]基于形態(tài)特征重建了寄居蟹總科系統(tǒng)發(fā)育樹, 提議將石蟹科獨(dú)立出來, 并將其歸于石蟹總科(Lithodoidea)。當(dāng)前, 石蟹科到底歸于寄居蟹總科還是石蟹總科仍有爭議。由于螯蓋寄居蟹科(Pylojacquesidae)物種稀少(目前僅發(fā)現(xiàn)2屬2種), 直至2001年該科才被建立。至此, 寄居蟹總科包括擬寄居蟹科、寄居蟹科、陸寄居蟹科、活額寄居蟹科、門螯寄居蟹科和螯蓋寄居蟹科6科的分類系統(tǒng)正式確立。

雖然, 目前寄居蟹總科的分類系統(tǒng)被絕大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)可[8—10], 但是該類群內(nèi)部分類及親緣關(guān)系仍具爭議。Richter和Scholz[3]首次基于形態(tài)特征分析了寄居蟹類的進(jìn)化關(guān)系, 認(rèn)為寄居蟹總科中除了最原始的門螯寄居蟹是并系群外, 其余種類均為單系群; 而當(dāng)前絕大多數(shù)分子數(shù)據(jù)都支持活額寄居蟹科為并系群[11,12]。隨著寄居蟹科分子數(shù)據(jù)不斷增加, 越來越多的研究發(fā)現(xiàn)該科也為非單系群, 如寄居蟹科中的Pagurus longicarpus不與同屬物種聚為一支, 而是與寄居蟹科和石蟹科組成的姐妹支聚支[10,13],支持寄居蟹科的非單系性。此外, 寄居蟹和石蟹之間的進(jìn)化關(guān)系也是甲殼動(dòng)物系統(tǒng)進(jìn)化學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)[8,14,15]。因此, 開展寄居蟹總科系統(tǒng)分類學(xué)研究對(duì)異尾次目乃至整個(gè)甲殼類分類及系統(tǒng)演化具有重要意義。

線粒體基因組被廣泛應(yīng)用于分子系統(tǒng)學(xué)研究,解決了很多長期以來備受爭議的分類鑒定及系統(tǒng)進(jìn)化等問題。如傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)認(rèn)為沙蟹總科和方蟹總科是單系群, 但是越來越多的分子結(jié)果(包括線粒體基因組數(shù)據(jù))顯示這兩個(gè)總科為并系群[16—19]。除了線粒體基因組序列本身外, 也有研究發(fā)現(xiàn)線粒體基因排序也可以為分子系統(tǒng)學(xué)提供有用信息。如Tan等[20]比較了已有異尾次目和短尾次目線粒體全序列后提出基因重排可以用于異尾次目系統(tǒng)發(fā)育研究, 如前期基于線粒體基因組序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹無法確定輝蝦屬(Aegla)(輝蝦總科)和澳洲寄居蟹屬(Lomis)(澳洲寄居蟹總科)之間的親緣關(guān)系,但是基因排序信息則顯示澳洲寄居蟹總科和柱螯蝦總科有著最近的親緣關(guān)系, 兩者再與輝蝦總科形成姐妹群關(guān)系, 隨后不斷有研究證實(shí)了這一觀點(diǎn)[12,13]。關(guān)于線粒體基因重排現(xiàn)象, 目前主要用串聯(lián)復(fù)制-隨機(jī)丟失(Tandem duplication and random loss)[21]、串聯(lián)復(fù)制-非隨機(jī)丟失(Tandem duplication and nonrandom loss)[22]和線粒體內(nèi)重組(Intramitochondrial recombination)[23]等模型假說來解釋。

然而, 相比甲殼類其他類群, 研究人員對(duì)異尾次目線粒體基因組關(guān)注度明顯不足; 尤其是寄居蟹總科, 截2023年4月, GenBank數(shù)據(jù)庫中僅有16個(gè)物種的線粒體基因組全序列, 這極大阻礙了寄居蟹分子系統(tǒng)學(xué)研究發(fā)展。因此, 本研究以我國海域分布最廣泛的活額寄居蟹科物種作為研究對(duì)象, 以刺足真寄居蟹(Dardanus hessii)為代表種, 首次測(cè)定其線粒體基因組全序列, 并結(jié)合已公布的16個(gè)寄居蟹物種的基因組全序列, 對(duì)寄居蟹總科線粒體基因組序列特征及基因排序進(jìn)行了比較分析, 同時(shí)構(gòu)建了寄居蟹總科系統(tǒng)發(fā)育樹, 探究線粒體基因重排在系統(tǒng)進(jìn)化研究中的適用性。本研究結(jié)果不僅豐富了寄居蟹總科的線粒體基因組數(shù)據(jù), 同時(shí)為異尾次目分類及系統(tǒng)進(jìn)化提供新的觀點(diǎn)和思路。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及測(cè)序

刺足真寄居蟹樣品采自浙江省舟山市桃花島,參考《中國海活額寄居蟹科分類學(xué)研究》[24]進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定。取約100 g肌肉組織利用二代測(cè)序技術(shù)進(jìn)行線粒體基因組全序列測(cè)定(上海元莘生物醫(yī)藥科技有限公司)。測(cè)序前先使用插入片段大小為400 bp的VAHTS Universal Plus DNA文庫制備試劑盒構(gòu)建基因文庫, 在Illumina NovaSeq 6000高通量測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行PE150測(cè)序; 使用NOVO Plasty[25]軟件對(duì)去除接頭的有效數(shù)據(jù)(Clean data)進(jìn)行從頭組裝; 將鱗紋真寄居蟹線粒體基因組(GenBank登錄號(hào): MW147148)作為種子序列進(jìn)行序列延伸。為了評(píng)估二代測(cè)序的準(zhǔn)確性, 研究還利用一代測(cè)序技術(shù)(Sanger測(cè)序)測(cè)定了線粒體COⅠ基因序列, 比較兩種測(cè)序方法得到的序列相似性。

1.2 線粒體基因組注釋和序列分析

基于MITOS Web Server[26]及tRNAscan-SE 1.21[27]預(yù)測(cè)結(jié)果, 利用Sequin軟件(version 15.10, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Sequin/)對(duì)新組裝的刺足真寄居蟹線粒體基因組進(jìn)行注釋; 使用NCBI-BLAST對(duì)蛋白質(zhì)編碼基因和核糖體RNA基因進(jìn)行邊界分析; 控制區(qū)由于序列變異較大, 根據(jù)近緣種序列及其相鄰基因位置判斷。利用以下公式計(jì)算堿基的鏈不對(duì)稱性: GC-skew=(G-C)/(G+C); AT-skew=(A-T)/(A+T)[28]。使用 MEGA X軟件[29]計(jì)算核苷酸含量。從GenBank 數(shù)據(jù)庫中下載另外16種寄居蟹總科物種的線粒體COⅠ基因序列, 結(jié)合本研究測(cè)定的刺足真寄居蟹物種COⅠ序列, 利用軟件Clustal X 2.0[30]對(duì)這些序列進(jìn)行比對(duì), 并基于Kimura 2-parameter (K2P)參數(shù)替代模型計(jì)算17個(gè)物種COⅠ的遺傳距離, 利用軟件MatGAT 2.02[31]進(jìn)行多序列相似性比較分析。

1.3 線粒體基因組比較分析

以刺足真寄居蟹線粒體基因組作為參考序列,用CGView Comparison Tool (CCT)[32]軟件對(duì)所有17種寄居蟹總科物種線粒體基因組序列進(jìn)行比較,同時(shí)用Mauve v2.4.0[33]軟件對(duì)其進(jìn)行共線性分析。采用CREx[34]軟件預(yù)測(cè)基因重排事件, 基因重排包括倒置(R)、移位(T)和倒置移位(RT)三種類型。

1.4 系統(tǒng)發(fā)育分析

從GenBank數(shù)據(jù)庫下載目前已有16種寄居蟹總科物種線粒體基因組全序列, 加上本研究新測(cè)定的刺足真寄居蟹基因組, 以方蟹總科的側(cè)足厚蟹(Helice latimera)和伍氏擬厚蟹(Helicana wuana)為外類群, 基于13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因, 使用PhyloSuite[35]同時(shí)構(gòu)建寄居蟹總科最大似然樹(ML)和貝葉斯樹(BI)。最大似然樹使用IQ-TREE構(gòu)建, 其中bootstrap設(shè)置為Ultrafast, Num of bootstrap設(shè)置為100000,抽樣次數(shù)為1000。貝葉斯樹使用MrBayes構(gòu)建, 使用4條蒙特卡羅馬爾可夫鏈(Markov Chain Monte Carlo, MCMC)同時(shí)運(yùn)行2000000代, 抽樣頻率為1000, 摒棄25%的老化樣本。

2 結(jié)果

2.1 刺足真寄居蟹線粒體基因組序列特征

刺足真寄居蟹線粒體基因組全序列長度為17821 bp(GenBank登錄號(hào)OP930882), 包含37個(gè)基因(13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因, 22個(gè)tRNA和2個(gè)rRNA基因)和1個(gè)控制區(qū)。13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因總長為11183 bp, 共編碼3716個(gè)氨基酸。所有蛋白質(zhì)編碼基因均以典型的ATN作為起始密碼子; 除ND5和ND6基因以T作為終止密碼子外, 其余蛋白質(zhì)編碼基因以TAA或TAG作為終止密碼子(表1)。tRNA基因分散在整個(gè)線粒體基因組中, 22個(gè)tRNA的總長度為1471 bp。16S rRNA位于ND1和tRNA-Val之間, 長度為1393 bp;12S rRNA位于tRNA-Val和CR之間, 長度為798 bp。雖然線粒體基因組各基因排列非常緊湊, 但是在刺足真寄居蟹基因組中23處共發(fā)現(xiàn)270 bp的基因間隔區(qū), 其中最長的為75 bp, 介于tRNA-His和ND4之間。當(dāng)然, 同時(shí)也在5處發(fā)現(xiàn)了累計(jì)15 bp的重疊區(qū)域, 最長的重疊區(qū)為7 bp, 位于ND4和ND4L之間(表1)。

表1 刺足真寄居蟹線粒體基因組特征Tab.1 Features of the mitochondrial genome of D.hessii

2.2 寄居蟹總科物種線粒體基因組比較分析

用CCT軟件對(duì)17種寄居蟹總科的線粒體基因組進(jìn)行了比較分析, 結(jié)果顯示, 17個(gè)物種的線粒體基因組都發(fā)生了基因重排, 且基因排序和序列相似性都相對(duì)保守。除控制區(qū)和16S rRNA部分序列有較大變異外, 其余基因相似性普遍高于82%, 尤其是COⅠ和COⅢ基因在所有寄居蟹物種線粒體基因組中十分保守(圖1)。

COⅠ基因作為最常用的DNA條形碼, 在物種分類鑒定有著廣泛的應(yīng)用。因此本研究計(jì)算了17種寄居蟹總科物種的COⅠ基因遺傳距離及其序列相似性。結(jié)果顯示, 日本寄居蟹(Pagurus japonicus)和長腕寄居蟹(Pagurus filholi)間的遺傳距離最小(0.005), 二者對(duì)應(yīng)的序列相似性也最高(99.5%), 表明兩者很有可能為同一物種; 最大的遺傳距離出現(xiàn)在Pagurus longicarpus和灰白陸寄居蟹(Coenobita rugosus)之間(0.292), 對(duì)應(yīng)的序列相似性為75.7%。本研究新測(cè)定的刺足真寄居蟹和同屬的紅星真寄居蟹(Dardanus asperses)及鱗紋真寄居蟹(Dardanus arrosor)的遺傳距離最小, 分別為0.203和0.204, 序列相似性分別為82.1%和82.0%。

研究還對(duì)17種寄居蟹總科物種的線粒體基因組共線性進(jìn)行了比較分析, 軟件分析顯示, 所有寄居蟹物種線粒體基因組均可分為5個(gè)大的保守區(qū)域(圖2, A—E), 其中區(qū)域A(P-ND1-16S rRNA) 的位置和長度在所有寄居蟹物種線粒體基因組中都是最保守的, 區(qū)域B的位置和長度變異最大, 其余3個(gè)區(qū)域則相對(duì)保守。值得注意的是毛氏門螯寄居蟹(Pylocheles mortensenii) 基因組中的區(qū)域B(12S rRNA)發(fā)生了倒置, 由輕鏈編碼變成了重鏈編碼, 而在其余16種寄居蟹總科物種線粒體基因組均仍由輕鏈編碼; 此外, 區(qū)域E (T-ND6-Cytb-S2) 在紅星真寄居蟹基因組中發(fā)生了較明顯的移位, 而其在其余16種寄居蟹總科物種線粒體基因組中位置十分保守。

圖2 17種寄居蟹總科物種線粒體基因組共線性分析Fig.2 Collinearity analysis of 17 Paguroidea mitogenomes

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)17種寄居蟹總科物種的線粒體基因組共分為4種共線性類型, 其中7種寄居蟹科物種共享一種共線類型(1—7); 5種陸寄居蟹科和3種活額寄居蟹科物種共享一種共線類型(8—15);活額寄居蟹科的紅星真寄居蟹獨(dú)享一種共線類型(16), 與該科其他3個(gè)物種線粒體基因排序明顯不同, 表現(xiàn)在紅星真寄居蟹基因組中T-ND6-Cytb-S2移位至R-N-E基因簇下游, 而在5種陸寄居蟹和3種活額寄居蟹基因組中, 該區(qū)域移位至ND4L下游;門螯寄居蟹科的毛氏門螯寄居蟹獨(dú)享一種共線類型(17), 該類型與其他3種類型最大的區(qū)別是12S rRNA發(fā)生了倒置。

2.3 線粒體基因重排分析

與泛甲殼動(dòng)物(Pancrustacea) 線粒體基因組原始基因排序(Type 0)相比, 刺足真寄居蟹基因順序經(jīng)歷了大規(guī)模的重排, 共有6處基因或基因簇位置發(fā)生了顯著變化, 涉及到12個(gè)tRNA基因(L2、G、A、S1、P、L1、I、Q、M、W、C和Y)和2個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因(ND3和ND2)。在這6處重排中, 包含了倒置移位(RT)和移位(T)兩種重排類型。單個(gè)的L2和L1基因、G-ND3-A-S1和W-C-Y基因簇發(fā)生了倒置移位, 單個(gè)的P基因和I-Q-M-ND2基因簇僅發(fā)生移位,未發(fā)生倒置; 其中L2基因由重鏈編碼倒轉(zhuǎn)至輕鏈,同時(shí)從COⅠ基因下游移至G基因的下游(圖3 ①);G-ND3-A-S1基因簇也是由重鏈編碼倒轉(zhuǎn)至輕鏈, 變成了S1-A-G-ND3排序, 位置從COⅢ基因的下游移至了控制區(qū)(CR)的下游(圖3 ②);P基因未發(fā)生倒置, 僅發(fā)生位置上的變化, 從T基因的下游移至S2基因的下游(圖3 ③);L1基因則由輕鏈編碼倒轉(zhuǎn)至重鏈, 位置從ND1基因的下游移位至COⅠ基因的下游(圖3 ④);I-Q-M-ND2基因簇僅位置發(fā)生變化, 其被分為兩部分, 其中I-M-ND2整體移至K基因的下游, 且I和M的前后位置發(fā)生了互換, 形成了M-IND2排序,Q基因則移至線粒體基因組的線性末端位置(圖3 ⑤); 最后一處重排發(fā)生在W-C-Y基因簇,其中W和Y基因發(fā)生了倒置移位, 形成了新的Y-WC排序(圖3 ⑥)。

圖3 寄居蟹總科物種線粒體重排類型(A) 及寄居蟹總科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(B)Fig.3 Mitochondrial rearrangement types of species of Paguridea (A) and phylogenetic relationship of Paguridea (B)

研究進(jìn)一步比較了所有寄居蟹總科物種線粒體基因排序, 結(jié)果顯示17種寄居蟹總科物種線粒體基因組表現(xiàn)出7種不同類型的基因重排, 其中寄居蟹科物種線粒體基因組貢獻(xiàn)了4種基因重排類型(圖3Ⅰ—Ⅳ); 所有陸寄居蟹科物種和3種活額寄居蟹科共享一種重排類型(圖3Ⅴ); 活額寄居蟹科的紅星真寄居蟹和門螯寄居蟹科的毛氏門螯寄居蟹各自獨(dú)享一種重排類型(圖3Ⅵ和Ⅶ)。相比其余3種基因排序(圖3Ⅴ—Ⅶ) 之間的差異, 寄居蟹科中4種基因重排類型(圖3Ⅰ—Ⅳ) 內(nèi)部差異顯得很小,僅在AIMD基因簇排序、H及V的位置上有差異?；铑~寄居蟹科具有兩種不同的基因重排類型(圖3Ⅴ和Ⅵ), 兩者之間差異僅體現(xiàn)在T-ND6-Cytb-S2基因簇的位置, 包括大部分活額寄居蟹科在內(nèi)的寄居蟹總科物種T-ND6-Cytb-S2基因簇位于ND4L基因下游, 僅在活額寄居蟹科的紅星真寄居蟹基因組中位于R-N-E基因簇下游。門螯寄居蟹科基因排序(圖3Ⅶ)最大的不同在于12S rRNA的編碼鏈, 在其余6種基因重排類型中, 12S rRNA均由輕鏈編碼, 而該基因在門螯寄居蟹科線粒體基因組中發(fā)生了倒置, 由輕鏈編碼轉(zhuǎn)為重鏈編碼, 與線粒體基因組共線性分析結(jié)果一致。

2.4 系統(tǒng)發(fā)育分析

本研究基于13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因的核苷酸序列同時(shí)構(gòu)建了寄居蟹總科最大似然樹(ML tree)和貝葉斯樹(BI tree), 結(jié)果顯示兩種方法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 因此, 本研究只顯示其中一種樹, 節(jié)點(diǎn)處同時(shí)標(biāo)記出貝葉斯后驗(yàn)概率和最大似然樹自展值。系統(tǒng)樹顯示本研究新測(cè)定的刺足真寄居蟹跟鱗紋真寄居蟹及紅星真寄居蟹聚為一支, 表明這三者親緣關(guān)系很近, 組成了活額寄居蟹科的一部分; 然而, 活額寄居蟹科的另一個(gè)物種, 下齒細(xì)螯寄居蟹并沒有與同科的3個(gè)物種聚在一起, 而是先與陸寄居蟹科聚為一支, 再與3種活額寄居蟹科物種形成姐妹群, 表明活額寄居蟹科為非單系群。寄居蟹總科內(nèi)部親緣關(guān)系為活額寄居蟹科與陸寄居蟹科形成姐妹群后再與寄居蟹科聚在一起, 最后與門螯寄居蟹科聚支。需要提醒的是,NCBI數(shù)據(jù)庫中長腕寄居蟹(LC222528)與日本寄居蟹(LC222532)的線粒體基因組序列可能來自同一物種, 與COⅠ遺傳距離和序列相似性結(jié)果一致。兩者形態(tài)上有較大差異(如楯部比例、螯上小刺或短剛毛等), 暗示其中至少有一個(gè)物種鑒定有誤。

3 討論

異尾次目分類及演化是進(jìn)化系統(tǒng)學(xué)備受關(guān)注的科學(xué)問題。然而, 該類群分類及內(nèi)部親緣關(guān)系長期以來一直缺乏定論[8,15,36,37]。隨著測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展及測(cè)序成本的不斷降低, 線粒體基因組全序列在分類鑒定、系統(tǒng)進(jìn)化和適應(yīng)性進(jìn)化等領(lǐng)域解決了很多備受爭議的難題[16,20,38]。本研究基于17種寄居蟹總科物種13個(gè)線粒體蛋白質(zhì)編碼基因序列重建了寄居蟹總科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系, 結(jié)果顯示活額寄居蟹科與陸寄居蟹科親緣關(guān)系最近, 兩者形成姐妹群后再與寄居蟹科聚為一支, 最后與門螯寄居蟹科聚在一起; 該聚類關(guān)系與絕大多數(shù)分子系統(tǒng)樹結(jié)果一致[12,20,39,40]。雖然, 本研究也支持了活額寄居蟹科的非單系性, 但是值得注意的是造成該科非單系的關(guān)鍵物種, 下齒細(xì)螯寄居蟹與陸寄居蟹科的關(guān)系與前人研究結(jié)果略有區(qū)別。在近期的異尾次目系統(tǒng)發(fā)育研究中, 陸寄居蟹科先與大多數(shù)活額寄居蟹科聚支后再與下齒細(xì)螯寄居蟹聚在一起[11], 而本研究并入刺足真寄居蟹后則顯示陸寄居蟹科先與下齒細(xì)螯寄居蟹聚為一支, 再與大多數(shù)活額寄居蟹科聚在一起, 該結(jié)果與Tsang等[41]基于5個(gè)核蛋白編碼基因構(gòu)建的寄居蟹總科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系一致。不難發(fā)現(xiàn)下齒細(xì)螯寄居蟹在系統(tǒng)樹中的位置并不完全穩(wěn)定, 今后可增加活額寄居蟹科和寄居蟹科代表種數(shù)量進(jìn)一步厘清這兩個(gè)科的親緣關(guān)系。

脊椎動(dòng)物線粒體基因組排序相對(duì)穩(wěn)定, 發(fā)生重排的概率較低。而在無脊椎動(dòng)物線粒體基因組中,線粒體基因重排現(xiàn)象相對(duì)較多。以甲殼動(dòng)物十足目為例, 目前已發(fā)現(xiàn)相手蟹科(Sesarmidae)、溪蟹科(Potamonidae)、寶石蟹科(Mithracidae)、寄居蟹科、陸寄居蟹科和活額寄居蟹科等20余科物種線粒體基因組發(fā)生顯著重排[16,42,43]。用于解釋線粒體基因重排的機(jī)制主要有串聯(lián)復(fù)制隨機(jī)丟失模型、串聯(lián)復(fù)制非隨機(jī)丟失模型和線粒體重組等[23,44]。本研究中寄居蟹總科線粒體基因組呈現(xiàn)7種不同的基因排序, 涉及倒置移位和移位兩種重排類型。線粒體重組是最常用于解釋倒置現(xiàn)象的模型, 已廣泛用于解釋包括魚類[45]、爬行類[46]、昆蟲[47]和甲殼類[10]等在內(nèi)多種生物類群基因倒置現(xiàn)象。如半滑舌鰨(Cynoglossus semilaevis)線粒體基因組中Q基因由輕鏈編碼轉(zhuǎn)為重鏈編碼, 這是魚類線粒體基因組中首例基因倒置現(xiàn)象, 研究采用線粒體重組模型對(duì)Q基因倒置進(jìn)行了重排推演[40,42]。本研究中的倒置現(xiàn)象同樣也可以用重組模型來解釋。如在泛甲殼動(dòng)物線粒體基因組(Type 0)中為V-12S排序, 兩者均由輕鏈編碼; 而在毛氏門螯寄居蟹基因組(TypeⅦ)中變?yōu)?2S-V排序, 且由輕鏈編碼轉(zhuǎn)為重鏈編碼?？赡艿闹嘏胚^程為:V的5′端和12S的3′端同時(shí)斷裂, 形成一個(gè)自由的V-12S片段, 該片段在重新連接時(shí)發(fā)生鏈倒置, 變成12S-V排序, 且由原來的輕鏈編碼變?yōu)橹劓?。線粒體重組模型在其他物種類似的倒置現(xiàn)象中也得到廣泛應(yīng)用[38,39]。線粒體基因移位是十分常見的基因重排現(xiàn)象, 常用串聯(lián)復(fù)制隨機(jī)丟失模型和串聯(lián)復(fù)制非隨機(jī)丟失模型來解釋。兩種模型最大的區(qū)別在于復(fù)制后的基因被刪除的方式, 前者為隨機(jī)刪除, 后者則取決于基因的轉(zhuǎn)錄極性和位置, 其刪除后的結(jié)果是具有相同極性的基因(由同一鏈編碼的基因)聚在一起。本研究中寄居蟹總科重排基因是散狀分布在基因組中, 而不是按相同極性聚在一起, 因而綜合重排基因序列特征及CREx軟件預(yù)測(cè)結(jié)果, 我們認(rèn)為串聯(lián)復(fù)制隨機(jī)丟失模型是用來解釋寄居蟹總科線粒體基因組產(chǎn)生大規(guī)?；蛑嘏努F(xiàn)象最合理的假說。

研究還分析了寄居蟹總科線粒體基因排序跟系統(tǒng)進(jìn)化之間的關(guān)系。寄居蟹科雖然擁有4種不同的基因重排類型(Type Ⅰ—Ⅳ), 但是整科物種還是聚為一支, 形成一個(gè)單系群(Clade Ⅰ)。陸寄居蟹科和活額寄居蟹科中3個(gè)物種共享同一種重排類型(Type Ⅴ), 它們最先聚為一支, 暗示基因排序一定程度上能夠反映系統(tǒng)進(jìn)化信息[40,43]。但是值得注意的是活額寄居蟹科中鱗紋真寄居蟹先與基因排序具有較大區(qū)別的紅星真寄居蟹聚類, 兩者形成姐妹支后再與具有相同基因排序的刺足真寄居蟹聚在一起, 這又與相同基因排序優(yōu)先聚類的現(xiàn)象相矛盾。造成該“矛盾”現(xiàn)象的原因是紅星真寄居蟹基因重排并未對(duì)線粒體基因序列產(chǎn)生大的影響, 因而在基于線粒體序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系時(shí), 物種親緣關(guān)系并未按基因重排類型進(jìn)行聚類。因此, 基因排序是否適用于系統(tǒng)進(jìn)化分析應(yīng)當(dāng)視具體情況而定;即當(dāng)基因重排會(huì)對(duì)序列本身產(chǎn)生較大影響時(shí), 重排信息可能會(huì)成為一種理想的分子標(biāo)記; 反之基因重排可能不適用于系統(tǒng)進(jìn)化分析。