網翅蝗科（直翅目：蝗總科）部分種類的分子系統(tǒng)學研究.pdf

1、網翅蝗科Arcypteridae是蝗總科中的一個較大的類群，分布于世界各地。我國已知4個亞科47個屬223種，廣泛分布于全國各地，主要分布于古北區(qū)，東洋區(qū)相對較少。它是中國昆蟲分類專家基于中國蝗蟲區(qū)系特點而創(chuàng)建的一個科級分類單元，不同學者對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者在部分種、屬級、亞科級分類單元歸屬方面之間存在著很大的爭議。雖然前人從細胞學、形態(tài)學、發(fā)音機制、分子生物學等角度對此作了許多研究，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產物直接測序法測定了2亞科31種網翅蝗科昆蟲及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進行序列比對，MEGAV2.1進行序列組成分析，對線粒體基因Cytb、COⅡ數據集按照蛋白質基因密碼子第一、二、三位點劃分子集，16SrRNA數據集按照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、白質基因、線粒體基因及核基因同線粒體基因聯合組成聯合數據集：COⅡ&Cytb，16SrRNA&Cytb&COⅡ，16SrRNA&Cytb&COⅡ&28SrDNA，并對各數據集及其子集進行了數據探索研究。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)法進行系統(tǒng)發(fā)育關系重建，得出以下結論： 1.31種網翅蝗科昆蟲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％；從變異位點數目來看，COⅡ的數目最多，Cytb次之，16SrRNA的較少。而核28SrDNA非常保守，全部509個位點只有44個(不含外群)、72個(含外群)的變異位點，28SrDNA的A+T含量只有30.5％，其中G的含量高達35.0％，與線粒體基因之間存在著明顯的區(qū)別。 2.數據探索研究結果如下：①堿基頻率偏向性χ2(Chi-square)檢

5、驗表明Cytb和COⅡ的第三位點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16SrRNA的環(huán)區(qū)及COⅡ、Cytb的第三位點存在替換飽和現象；③PTP檢驗揭示四個數據集及其子集、聯合數據集都含有顯著區(qū)別于隨機信號的系統(tǒng)發(fā)育信息。④g1檢驗顯示線粒體COⅡ基因系統(tǒng)發(fā)育信號最強，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。聯合數據集的檢驗結果

6、表明線粒體基因聯合發(fā)育信號得到增加，但核基因和三線粒體基因聯合不如線粒體三基因聯合信號強，這暗示了信號的疊加效應在遺傳連鎖的基因間會很明顯。⑤ILD檢驗昭示線粒體基因間不存在異質性，但是三線粒體聯合數據集與核基因之間存在異質性，說明它們之間不相合。 3.采用四種方法對線粒體基因四個數據集以及各聯合數據集分別構建MP、ML、NJ、BI樹，比較它們之間的差異，結果表明四個單基因數據集建樹解析程度有限；聯合數據集四種樹解析力優(yōu)于單基因

7、建樹，而且和核基因與線粒體聯合要優(yōu)于線粒體基因聯合樹，四基因聯合ML樹和BI樹優(yōu)于MP樹和NJ樹。分析認為基因聯合可以增加樹的解析力，進而推測單個基因數據存在的系統(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合建樹時彼此消長從而提高了樹的穩(wěn)健性。 4.在等權MP建樹時采用PBS檢驗各數據集及子集對四基因聯合數據集所建的MP樹支持程度，結果顯示各數據的對聯合樹的支持程度以COⅡ基因最高；28SrDNA對聯合樹

8、的貢獻不大，16SrRNA支持的節(jié)點大多為基部節(jié)點、中部節(jié)點，而28SrDNA主要在基部，Cytb和COⅡ支持的是靠近中、端部的節(jié)點?？梢钥闯鲞@可能與它們的進化速度快慢有關，進化快的基因對樹的端部解析程度高，反之則對中部和端部解析的程度高。聯合數據對聯合樹的支持要遠高于單基因。 5.對Cytb,COⅡ第三位點、16SrRNA環(huán)區(qū)及莖區(qū)分別采用0.5與0降權構建MP樹并與等權MP樹進行比較，認為這些數據子集所含進化噪音沒有明顯影響

9、聯合數據集所建樹的拓撲結構，數據集聯合后增加了系統(tǒng)發(fā)育信號，抗噪音干擾能力增強，聯合數據集所建樹有較強的穩(wěn)健性。但是四個基因的聯合加權沒有未加權樹解析程度高，推測四個基因間的系統(tǒng)發(fā)育噪音以及不相合因素之間可能是互相拮抗的。 6.對四基因聯合不同建樹方法所建的聯合樹進行SH單尾檢驗，顯示四種聯合樹無顯著差異，以四基因聯合ML樹解析程度最佳，最終以四基因聯合ML樹作為網翅蝗科部分種類的系統(tǒng)發(fā)育樹。 7.所研究的網翅蝗科部分種

10、類的系統(tǒng)發(fā)育關系基本與中國的傳統(tǒng)形態(tài)學分類體系沒有差別： ①竹蝗亞科為較早分化出來的類群，其次為網翅蝗亞科。 ②竹蝗亞科類群，分為兩小支，它們的關系為((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網翅蝗亞科類群，各屬的關系除了網翅蝗屬和曲背蝗屬、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)育關系為(網翅蝗屬((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，但前胸背板具有側隆線，因此建議雷篾蝗屬并入竹蝗屬。 ⑤雛蝗屬的四個亞屬中黑翅亞屬、曲隆亞屬和直隆亞屬這三個亞屬的單系性均得到穩(wěn)健的支持，黑翅亞屬升級為屬可以成立，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，我們的結論有待于進一步尋求更多，更充分的證據。 本研究是對中國創(chuàng)建的蝗蟲科級分類單元網翅蝗科昆蟲進行的一次較大規(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)育關系提供了分子生物學方面的證據，但是由于所選取的網翅蝗科代表的物種有限，網翅蝗科亞科及屬種之間的系統(tǒng)發(fā)育關系有待作更進一步研究。同時本實