基于直系同源基因和基因家族的梭子蟹科物种系统发育与演化历史研究

With the advent of sequencing technology, phylogenetic relationships and evolutionary history are increasingly being informed by genomics and transcriptomics. Portunids - crabs of the family Portunidae, are of broad variety and encompassing diverse range and habitats. Although numerous studies have tried using partial mitochondrial DNA sequences and full mitochondrial genome to resolve the phylogenetic relationships of portunids, some remain debatable and the evolutionary history of this family is still unclear. This study attempts to resolve these questions by the use of orthologous genes and gene families obtained from transcriptomic data. Transcriptome analysis will be conducted on portunids of various subfamilies. With the aid of bioinformatics software, the orthologous genes and gene families shared by all specimens will be translated and annotated to their respective amino acid and protein sequences in order to analyze their conservation of gene function among subfamilies. The phylogenetic relationships among species is inferable via the phylogenetic tree constructed using the selected orthologous genes and gene families. Additionally, the molecular clock constructed using orthologous genes allows the estimation of the actual time of evolutionary events occurred in the family Portunidae. The findings in this study will provide a clearer picture to the phylogenetic relationships and contribute greatly to the understanding of the systematic evolution of portunid crabs.

随着高通量测序技术的发展，分子生物学技术已被生物学家广泛用于物种系统发育与演化历史的研究。梭子蟹科蟹类种类繁多，形态多样，已有利用线粒体基因片段或线粒体全基因组对其系统发育关系进行的研究，但其中仍存在诸多争议，而且若干家族的进化史尚不清楚。本项目拟采用高通量测序技术获得转录组数据，运用生物信息方法挖掘直系同源基因和基因家族，翻译并注释相应氨基酸和蛋白序列，分析它们在物种间的功能保守性；然后运用这些直系同源基因和基因家族构建进化树，探明梭子蟹科蟹类间的分类关系。利用直系同源基因构建分子钟，预测梭子蟹科蟹类间的进化时间，推测它们分化的时间点，从而系统阐明梭子蟹科蟹类的分类和进化史。研究成果将为梭子蟹科蟹类的系统演化、科属地位划分、物种鉴定等研究提供可靠的理论依据。

梭子蟹科物种种类繁多，物种多样性高，利用传统的分类学方法不能解决全部的分类难题，尽管已有利用分子生物学方法开展梭子蟹分类和系统发育关系研究的先例，但目前仍存在的问题较多，若干家族的进化史尚不清楚。本项目以转录组作为载体，利用二代高通量测序结合生物信息学方法获得了45个物种的转录组数据，共获得1197 million序列，平均每个物种的contigs数量在31119-174535之间，进一步挖掘了直系同源基因和基因家族，重构了23个蟹类物种的Bayesian系统发生树和ML系统发生树，明确了梭子蟹科物种间的进化关系。同时，完成了纤手梭子蟹线粒体全基因组测序，利用线粒体12个编码蛋白基因序列分析了梭子蟹科部分物种间的进化关系，明确了它们的分类和亲缘关系。最后，针对梭子蟹科青蟹属物种存在生活区域重叠的生态现象，重点开展了利用形态学方法进行物种鉴定的研究，对76211只个体的鉴定结果发现，该方法可以准确的鉴定到物种水平：拟穴青蟹、锯缘青蟹、榄绿青蟹、紫螯青蟹；同时，还发现了4组介于上述4个物种间的个体，推测为上述物种的杂交种，这提示在开展物种分类鉴定和系统发育关系研究时，应充分考虑近缘物种间杂交的问题。本项目的研究成果丰富了蟹类分类学和系统演化领域的理论体系，有助于进一步解决梭子蟹科物种分类和演化问题的研究。