網(wǎng)翅蝗科（直翅目：蝗總科）部分種類的分子系統(tǒng)學(xué)研究.pdf

1、網(wǎng)翅蝗科Arcypteridae是蝗總科中的一個(gè)較大的類群，分布于世界各地。我國已知4個(gè)亞科47個(gè)屬223種，廣泛分布于全國各地，主要分布于古北區(qū)，東洋區(qū)相對(duì)較少。它是中國昆蟲分類專家基于中國蝗蟲區(qū)系特點(diǎn)而創(chuàng)建的一個(gè)科級(jí)分類單元，不同學(xué)者對(duì)這一類群的分類歸屬意見各不相同，尤其是和國外的分類學(xué)者在部分種、屬級(jí)、亞科級(jí)分類單元?dú)w屬方面之間存在著很大的爭議。雖然前人從細(xì)胞學(xué)、形態(tài)學(xué)、發(fā)音機(jī)制、分子生物學(xué)等角度對(duì)此作了許多研究，但是總體上研究的

2、不夠深入，依然存在許多分歧。 本研究采用PCR產(chǎn)物直接測序法測定了2亞科31種網(wǎng)翅蝗科昆蟲及1種癩蝗(外群)的線粒體基因Cytb和16SrRNA、核基因28SrDNA的部分片段序列以及線粒體COⅡ全序列，使用ClustalX1.83進(jìn)行序列比對(duì)，MEGAV2.1進(jìn)行序列組成分析，對(duì)線粒體基因Cytb、COⅡ數(shù)據(jù)集按照蛋白質(zhì)基因密碼子第一、二、三位點(diǎn)劃分子集，16SrRNA數(shù)據(jù)集按照RNA基因的不同功能域劃分莖區(qū)和環(huán)區(qū)子集，按照蛋

3、白質(zhì)基因、線粒體基因及核基因同線粒體基因聯(lián)合組成聯(lián)合數(shù)據(jù)集：COⅡ&Cytb，16SrRNA&Cytb&COⅡ，16SrRNA&Cytb&COⅡ&28SrDNA，并對(duì)各數(shù)據(jù)集及其子集進(jìn)行了數(shù)據(jù)探索研究。在PAUP*4.0b10(PPC)中采用NJ法、MP法、ML法以及在MrbayesV3.0中的貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育推論(BI)法進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建，得出以下結(jié)論： 1.31種網(wǎng)翅蝗科昆蟲3線粒體基因Cytb、COⅡ及16SrRNA具有

4、昆蟲線粒體所具有的高A+T含量，三基因片段分別為73.6％、71.0％與67.6％；從變異位點(diǎn)數(shù)目來看，COⅡ的數(shù)目最多，Cytb次之，16SrRNA的較少。而核28SrDNA非常保守，全部509個(gè)位點(diǎn)只有44個(gè)(不含外群)、72個(gè)(含外群)的變異位點(diǎn)，28SrDNA的A+T含量只有30.5％，其中G的含量高達(dá)35.0％，與線粒體基因之間存在著明顯的區(qū)別。 2.數(shù)據(jù)探索研究結(jié)果如下：①堿基頻率偏向性χ2(Chi-square)檢

5、驗(yàn)表明Cytb和COⅡ的第三位點(diǎn)在分類單元間存在堿基組成偏向性；②堿基替換飽和性分析發(fā)現(xiàn)16SrRNA的環(huán)區(qū)及COⅡ、Cytb的第三位點(diǎn)存在替換飽和現(xiàn)象；③PTP檢驗(yàn)揭示四個(gè)數(shù)據(jù)集及其子集、聯(lián)合數(shù)據(jù)集都含有顯著區(qū)別于隨機(jī)信號(hào)的系統(tǒng)發(fā)育信息。④g1檢驗(yàn)顯示線粒體COⅡ基因系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)最強(qiáng)，其次為16SrRNA，Cytb，而以核基因28SrDNA最弱(g1=-0.5096)，基本與Cytb(g1=-0.5185)的相當(dāng)。聯(lián)合數(shù)據(jù)集的檢驗(yàn)結(jié)果

6、表明線粒體基因聯(lián)合發(fā)育信號(hào)得到增加，但核基因和三線粒體基因聯(lián)合不如線粒體三基因聯(lián)合信號(hào)強(qiáng)，這暗示了信號(hào)的疊加效應(yīng)在遺傳連鎖的基因間會(huì)很明顯。⑤ILD檢驗(yàn)昭示線粒體基因間不存在異質(zhì)性，但是三線粒體聯(lián)合數(shù)據(jù)集與核基因之間存在異質(zhì)性，說明它們之間不相合。 3.采用四種方法對(duì)線粒體基因四個(gè)數(shù)據(jù)集以及各聯(lián)合數(shù)據(jù)集分別構(gòu)建MP、ML、NJ、BI樹，比較它們之間的差異，結(jié)果表明四個(gè)單基因數(shù)據(jù)集建樹解析程度有限；聯(lián)合數(shù)據(jù)集四種樹解析力優(yōu)于單基因

7、建樹，而且和核基因與線粒體聯(lián)合要優(yōu)于線粒體基因聯(lián)合樹，四基因聯(lián)合ML樹和BI樹優(yōu)于MP樹和NJ樹。分析認(rèn)為基因聯(lián)合可以增加樹的解析力，進(jìn)而推測單個(gè)基因數(shù)據(jù)存在的系統(tǒng)發(fā)育噪音如堿基偏向性，堿基替換飽和，以及基因間的不相合因素可能在聯(lián)合建樹時(shí)彼此消長從而提高了樹的穩(wěn)健性。 4.在等權(quán)MP建樹時(shí)采用PBS檢驗(yàn)各數(shù)據(jù)集及子集對(duì)四基因聯(lián)合數(shù)據(jù)集所建的MP樹支持程度，結(jié)果顯示各數(shù)據(jù)的對(duì)聯(lián)合樹的支持程度以COⅡ基因最高；28SrDNA對(duì)聯(lián)合樹

8、的貢獻(xiàn)不大，16SrRNA支持的節(jié)點(diǎn)大多為基部節(jié)點(diǎn)、中部節(jié)點(diǎn)，而28SrDNA主要在基部，Cytb和COⅡ支持的是靠近中、端部的節(jié)點(diǎn)?？梢钥闯鲞@可能與它們的進(jìn)化速度快慢有關(guān)，進(jìn)化快的基因?qū)涞亩瞬拷馕龀潭雀?，反之則對(duì)中部和端部解析的程度高。聯(lián)合數(shù)據(jù)對(duì)聯(lián)合樹的支持要遠(yuǎn)高于單基因。 5.對(duì)Cytb,COⅡ第三位點(diǎn)、16SrRNA環(huán)區(qū)及莖區(qū)分別采用0.5與0降權(quán)構(gòu)建MP樹并與等權(quán)MP樹進(jìn)行比較，認(rèn)為這些數(shù)據(jù)子集所含進(jìn)化噪音沒有明顯影響

9、聯(lián)合數(shù)據(jù)集所建樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)集聯(lián)合后增加了系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)，抗噪音干擾能力增強(qiáng)，聯(lián)合數(shù)據(jù)集所建樹有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。但是四個(gè)基因的聯(lián)合加權(quán)沒有未加權(quán)樹解析程度高，推測四個(gè)基因間的系統(tǒng)發(fā)育噪音以及不相合因素之間可能是互相拮抗的。 6.對(duì)四基因聯(lián)合不同建樹方法所建的聯(lián)合樹進(jìn)行SH單尾檢驗(yàn)，顯示四種聯(lián)合樹無顯著差異，以四基因聯(lián)合ML樹解析程度最佳，最終以四基因聯(lián)合ML樹作為網(wǎng)翅蝗科部分種類的系統(tǒng)發(fā)育樹。 7.所研究的網(wǎng)翅蝗科部分種

10、類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系基本與中國的傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分類體系沒有差別： ①竹蝗亞科為較早分化出來的類群，其次為網(wǎng)翅蝗亞科。 ②竹蝗亞科類群，分為兩小支，它們的關(guān)系為((竹蝗新種，雷篾蝗)((黑翅竹蝗(西藏竹蝗短翅亞種(青脊竹蝗，大青脊竹蝗))))。 ③網(wǎng)翅蝗亞科類群，各屬的關(guān)系除了網(wǎng)翅蝗屬和曲背蝗屬、短翅雛蝗亞屬單系性不成立外，其余各屬基本得到解析，各屬的發(fā)育關(guān)系為(網(wǎng)翅蝗屬((石棲蝗屬，凹背蝗屬)(螕蝗屬(牧草蝗屬，草地蝗屬

11、)(異爪蝗屬(黑翅亞屬(腫脈蝗屬(曲隆亞屬，直隆亞屬)))))))))。 ④基于竹蝗新種和黃脊雷篦蝗聚為一支和其它竹蝗屬類群形成姊妹群，而且竹蝗屬和雷篾蝗屬的屬征視差鑒別特征為前胸背板是否具有側(cè)隆線，竹蝗新種形態(tài)非常接近于黃脊雷篦蝗，但前胸背板具有側(cè)隆線，因此建議雷篾蝗屬并入竹蝗屬。 ⑤雛蝗屬的四個(gè)亞屬中黑翅亞屬、曲隆亞屬和直隆亞屬這三個(gè)亞屬的單系性均得到穩(wěn)健的支持，黑翅亞屬升級(jí)為屬可以成立，曲隆亞屬和直隆亞屬的亞屬地位

12、明確，它們是姊妹群。然而短翅亞屬的單系性在各種分析中皆得不到支持，它很可能是多系起源。由于研究所取的雛蝗種類有限，我們的結(jié)論有待于進(jìn)一步尋求更多，更充分的證據(jù)。 本研究是對(duì)中國創(chuàng)建的蝗蟲科級(jí)分類單元網(wǎng)翅蝗科昆蟲進(jìn)行的一次較大規(guī)模的線粒體基因和核基因序列分析，為修訂該科昆蟲的分類系統(tǒng)和建立系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供了分子生物學(xué)方面的證據(jù)，但是由于所選取的網(wǎng)翅蝗科代表的物種有限，網(wǎng)翅蝗科亞科及屬種之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系有待作更進(jìn)一步研究。同時(shí)本實(shí)