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基于r d n a 序列和形态的斯氏属线虫系统进化研究 专业：微生物学 硕士生：徐翔飞 导师：邱礼鸿教授 摘要 斯氏线虫属( s t e i n e r n e m at r a v a s s o s ，1 9 2 7 ) 隶属于线虫1 7 ( n e m a t o d a ) 、色矛纲 ( c h r o m a d o r i a ) 、小杆目( r h a b d i t i d a ) 、斯氏线虫科( s t e i n e r n e m a f i d a e ) 。斯氏线虫体 内均携带有一种属于致病杆菌属( x e n o r h a b d u s ) 并与其形成典型共生关系的细菌。 共生菌通过产生杀虫毒素等活性代谢产物与线虫共同作用杀死寄主昆虫，同时分 泌胞外酶消化昆虫组织提供线虫生长繁殖所需营养。斯氏属线虫已被用于防治一 些理化方法不易控制的土栖性和钻蛀性害虫，在害虫生物防治中具有广阔的前 景。斯氏线虫属的系统进化研究将为斯氏线虫的命名、分类及开发应用提供理论 依据。 本研究以2 8 sr d n a 为主要分子标记，用最大简约法( m p ) ，邻接法( n j ) 和贝 叶斯分析方法( b i ) 对总共6 0 种斯氏线虫进行分子系统树重建，结果显示这6 0 种 斯氏线虫形成以& i n t e r m e d i u m ，& c a r p o c a p s a e ，sb i c o r n u t u m ，sf e l t i a e 以及& g l a s e r i 为代表的五个大支( 分别标记为i 至v 支) 。不同方法建立的系统树在这五 个大支的种类组成方面基本相同且得到高度置信支持但它们之间的系统进化关 系则有一些差异：在m p 法构建的系统树中，1 支处于系统树的底端且得到中度 置信支持，其它四支的关系无法分辨；在n j 树中，i 和1 1 支同位于底端位置而 i v 和v 支处于枝端位置；在b i 树中，五个大支的进化关系均无法分辨。基于2 8 s r d n a 序列的遗传距离分析结果显示1 支与其它四支的遗传距离明显高于其它支 之间的遗传距离。以i t s 序列为分子标记构建的m p 树也支持五大支的组成及1 支位于底端位置的结果。基于上述结果，初步推测斯氏属线虫主要由五大类群构 成，其中以i n t e r m e d i u m 为代表的类群可能是为该属最原始类群，而以& f e l t i a e 及& g l a s e r i 为代表的第1 v 和第v 支可能是该属较高等的类群，但各个类群之间 的系统关系还有待进一步研究。同时，基于上述斯氏属线虫的系统进化关系，对 这类线虫的起源、部分形态和行为特征( 如感染期幼虫体长、头部双角结构和捕 食策略等) 的进化及其与共生菌的协同进化等进行了初步的探讨。 关键词：斯氏线虫系统进化2 8 sr d n a 捕食策略 p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p so fs t e i n e r n e m at r a v a s s o s ，1 9 2 7 ( n e m a t o d a ：r h a b d i t i d a ：s t e i n e r n e m a t i d a e ) b a s e do nr d n a s e q u e n c ea n dm o r p h o l o g i c a ld a t a m a j o r ：m i c r o b i o l o g y n a m e ：x u x i a n g f e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i ul i h o n g a b s t r a c t e n t o m o p a t h o g e n i cn e m a t o d e so ft h eg e n u ss t e i n e r n e m ab e l o n gt on e m a t o d a , c h r o m a d o r i a ,r h a b d i t i d a , s t e i n e r n e r n a t i d a e s t e i n e r n e m ah a r b o u rb a c t e r i a x e n o r h a b d u ss p e c i e sm u t u a l i s t i c a u yi nt h e f tg u t s 1 1 豫s y m b i o t i cb a c t e r i ak i l lt h e i n s e c th o s ta n dd i g e s ti t st i s s u e s ，p r o v i d i n gn u t r i e n t ss u i t a b l ef o r t h eg r o w t ha n d d e v e l o p m e n to fn e m a t o d e sw i t h i ni n s e c tc a d a v e r s u n d e r s t a n d i n gt h ep h y l o g e n yo f s t e i n e r n e m ai si m p o r t a n tf o rs y s t e m a t i ct a x o n o m ya n dt h e i rf u r t h e ru t i l i z a t i o n 硼豫p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i po fs t e i n e r n e m aw a sr e c o n s t r u c t e db a s e do i l2 8 s r d n au s i n gm a x i m u mp a r s i m o n y ( m p ) n e i g h b o r - j o i n i n gf n j ) a n db a y e s i a n i n f e r e n c e ( b i ) m e t h o d a l lt h r e et r e e so b t a i n e dy i e l daw e l l - r e s o l v e dp h y l o g e n e t i c h y p o t h e s i sw i t hr e l i a b l es u p p o r tf o r5c l a d e s , w h i c ha r cr e p r e s e n t e db y & i n t e r m e d i u m ， s c a r p o c a p s a e ，s b i c o r n u t u m 。s f e l t i a ea n ds g l a s e r i h o w e v e r , t h er e l a t i o n b e t w e e nt h e s ef i v ec l a d e sd i f f e r e ds l i g h t l ya m o n gt h r e et r e e sg e n e r a t e d t l m pt r e e s h o w e dt h a tt h e & i n t e r m e d i u mc l a d ew a st h ea n c e s t r a lo fs t e i n e r n e m aw i t hm o d e r a t e b o o t s t r a ps u p p o r tw h i l et h er e l a t i o no fo t h c ff o u rc l a d e sw e t cn o tr e s o l v e d ；n j a n a l y s i sy i e l d e dm o d e r a t eb o o t s t r a ps u p p o r tf o r t h eb r a n c hp o s i t i o n sf o r & f e l t i a ea n d & g l a s e r ic l a d e s ，a n db a s ep o s i t i o nf o r & i n t e r m e d i u ma n d & c a r p o c a p s a ec l a d e s f o r b it r e e , t h er e l a t i o no ff i v ec l a d e sw a sn o tr e s o l v e d a n a l y s i sb a s e do n2 8 sr 工，n a s e q u e n c e sa l s os h o w e dt h a tt h eg e n e t i cd i s t a n c e sb e t w e e n & i n t e r m e d i u mc l a d ea n d a n yo fo t h e r4c l a d e sw e r em u c hg r e a t e rt h a nt h a to fa n yp a 沁o fo t h e r4c l a d e s m p t r e e sb a s e do ni t ss e q u e n c e ss u p p o r t e dt h ef i v ec l a d e st o p o l o g yo fs t e i n e r n e m aw i t h & i n t e r m e d i u mc l a d el o c a t e di nt h eb a s eo ft h e 蜘啊崦e v o l u t i o no fs o n l e m o r p h o l o g i c a la n db e h a v i o u sc h a r a c t e r so fs t e i e n r n e m a , s u c ha si x , d yl e n g t h , i i i d o u b l e h o r ns t r u c t u r ea n df o r a g i n gs t r a t e g yo fi n f e c t i v ej u v e n i l e s ，w a sa l s od i s c u s s e d b a s e do nt h ep h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i pr e v e a l e d k e y w o e d s ：s t e i n e r n e m a ，p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p ，e v o l u t i o n , 2 8 sr d n a f o r a g i n gs t r a t e g y b p m p n j b l m e g a t s t v g t r 眦 b a s ep a i r m a x i m u mp a m m o n y n e i g h h o u rj o i n i n g b a y e s i a ni n f e r e n c e 缩略词 m o l e c u l a re v o l u t i o n a r yg e n e t i c sa n a l y s i s t r a n s i t i o n t r a n s v e r s i o n g e n e r a lt i m er e v e r s i b l e t r i s a c e t a t e e d t ab u f f e r e d t a e t h y l e n ed i a m i n e t e t r a a c e t i ca c i d t e t r i s t t l m l l a m g r p m s m l n h 嘶s e d t ab u f f e r t r i s h y d r o x y m e t h y l a m i n o m e t h a n e m i c r o l i t r e m i l i l i t r e m i c r o m e t e r g r a m r e v o l u t i o np e rm i n u t e s e c o n d m i n u t e h o u r 碱基对 最大简约法 邻接法 贝叶斯分析方法 分子进化遗传分析 转换 颠换 广义时间可逆 t r i s 冰醋酸e d t a 缓冲液 乙二胺四乙酸 s e d t a 缓冲液 三羟甲基氨基甲烷 微升 毫升 微米 克 每分钟转数 秒 分钟 小时 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果口对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 黼话l 日期：砂l 。年翻l d 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复 制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名祭飞 日期：加。年。f 月lo 日 - 工- j 刖罱 斯氏线虫属( s t e i n e r n e m at r a v a s s o s ，1 9 2 7 ) 隶属于线虫门( n e m a t o d a ) 、色矛纲 ( c h r o m a d o r i a ) 、小杆目( r h a b d i t i d a ) 、斯氏线虫科( s t e i n e m e m a t i d a e ) 。斯氏线虫是 一类非常重要的昆虫病原线虫，其体内携带有一种属于致病杆菌属( x e n o r h a b d u s ) 且与线虫形成典型共生关系的细菌，共生菌通过产生杀虫毒素等活性代谢产物与 线虫共同作用杀死寄主昆虫，同时分泌胞外酶消化昆虫组织提供线虫生长繁殖所 需营养。斯氏线虫致病杆菌复合体由于具有杀虫谱广、主动搜索害虫的能力， 被用于防治一些理化方法不易控制的土栖性和钻蛀性害虫，在害虫生物防治中具 有广阔的前景。斯氏线虫属的系统进化研究将为斯氏线虫的命名、分类及开发应 用提供理论依据。 传统斯氏线虫分类主要基于形态特征，不同分类学家采用的分类标准不统一 而使线虫分类一直比较混乱，随着分子生物技术的发展及分子系统学的产生，斯 氏线虫的系统进化研究进入一个崭新的时期。p o i n a r 于1 9 9 3 年基于形态学、生 物学、生理学及地域分布综合等因素最早提出斯氏线虫属的进化假说，推测斯氏 线虫由陆生型前小杆线虫( p r o t o - r h a b d i t o n e m a ) 祖先于3 7 5 亿年前进化而来。2 0 世纪9 0 年代发展起来的一些新技术，如淀粉酶电泳和特异酶染色、d n a 限制性 长度多态性( r f l p ) 、随机扩增多态性( r a p d ) 、d n a 序列分析法等为斯氏属线虫 的分类及系统进化研究提供了更有力的证据( g r e n i e r , 19 9 6 ；j o y c e 19 9 4 ；l i ua n d b e r r y , 19 9 5 ；n a d l e r 甜a l ，2 0 0 6 a ；r e i da n dh o m i n i c k ，19 9 3 ；s t o c ke ta ，2 0 0 1 ) ，l i u 等首次基于1 8 sr d n a 序列对8 种斯氏属线虫进行分子进化分析( l i ue ta 1 ， 1 9 9 7 ) ，由于1 8 sr d n a 过于保守，构建的系统树稳定性较差，随后的研究中主 要基于相对保守的2 8 sr d n a ( n a d l e re ta 1 ，2 0 0 6 a ；s t o c ke ta l ，2 0 0 1 ) 及变异较大 的i t s 序列( n g u y e n 订口，2 0 0 1 ；s p i r i d o n o v 甜a 1 ，2 0 0 4 ；s z a l a n s k i 甜a l ，2 0 0 0 ) 2 0 0 6 年，n a d l c r 选用2 8 sr d n a 及两种线粒体基因1 2 sr d n a 、嘲i 共三种分子 标记和2 2 种形态数据，利用几种不同的建树方法对当时已描述的2 5 种斯氏线虫 进行系统进化树构建，根据结果将整个斯氏线虫属分为五个大支，与n g u y e n 基 于形态划分的五个类群基本对应。然而本研究分析发现，其所用的2 8 sr d n a 有 基于r d n a 序列和形态的斯氏属线虫系统进化研究 五个序列出现错误。 本研究通过18 sr d n a 重建小杆目线虫的系统进化树以确定斯氏线虫科在小 杆目中的分类地位，并主要以2 8 sr d n a 为主要分子标记，用最大简约法( m p ) ， 邻接法( n j ) 和贝叶斯分析方法( b i ) 对总共6 0 种斯氏线虫进行分子系统树重建，并 基于斯氏属线虫的系统进化关系，对这类线虫的起源、部分形态和行为特征( 如 感染期幼虫体长、头部双角结构和捕食策略等) 的进化及其与共生菌的协同进化 等进行了初步的探讨。 2 1 1 线虫门系统进化 第一章文献综述 线虫( n e m a t o d e s ) 是一类虫体较小、两侧对称原体腔蜕皮无脊椎动物，因虫 体呈圆柱形又称为圆虫( r o u n d w o r m ) 。线虫是假体腔动物中最大的- - f l ，现已描 述的约有2 3 万种( b l a x t e r , 2 0 0 9 ) ，尚有大量种未被定名，预测线虫种类有l o 万 到1 0 0 0 万种( l a m b s h e a da n db o u c h e r , 2 0 0 3 ) ，是仅次于昆虫的第二大类动物。线 虫分布广泛、种类数量繁多、生活方式多样、与人类生活有密切的关系。自由生 活型种类广泛地分布在海洋、淡水及土壤中，在自然界的物质和能量循环中发挥 着重要的作用( w a l la n dm o o r e ，1 9 9 9 ) ，其中秀丽隐杆线虫( c a e n o r h a b d i t i se l e g a n s ) 是现代发育生物学、遗传学和基因组学研究的重要材料，其全基因组测序已于 1 9 9 8 年完成，是人类获得的首例多细胞生物全基因序列，现已成为四大模式生 物之一，在人类探索生命奥秘的过程中发挥着重要的作用。多种动植物寄生线虫 是人畜和作物的重要害虫，给人类生产造成重大的损失，据保守估计，植物寄生 线虫在美国每年引起粮食与纤维作物的损失就达8 0 亿美元，而全世界则达7 8 0 亿美元，实际损失可能远超过上述估计数字( a t k i n s o ne t 口，1 9 9 5 ) ；但动植物寄生 线虫对人类来说也不完全是有害的，其中有些种类甚至是重要的益虫，例如昆虫 寄生线虫是自然界土壤害虫密度控制的一个重要因素，是害虫生物防治的一种新 型生物农药。 线虫分类与系统进化已成为线虫学的个重要分支学科。正确的分类鉴定是 线虫基础研究和开发应用的前提，具有重要的学术意义和经济价值。例如，正确 的分类鉴定是动植物线虫疫病检疫工作的核心，是线虫病害流行预测预报获得成 功的基础和关键。 3 基于r d n a 序列和形态的斯氏属线虫系统进化研究 1 1 1 线虫在动物界中的分类地位 在传统动物分类学中，线虫一直是不分节、两侧对称的假体腔动物的代表。 2 0 世纪8 0 年代以前，大多数动物分类学家将其列为原体腔动物门 ( p r o t o c o e l o m a t a ) ，也称假体腔动物f - j ( p s e u d o c o e l o m a t a ) 或蠕虫动物门 ( n e m a t h e l m i n t h e s ) q 的一个纲。随着被定名的原体腔动物种类的增加和人类对这 类动物认识的加深，原来原体腔动物门中的各个纲被升格为门，原体腔动物成为 一个包含线虫动物门、腹毛动物门、轮形动物门、线形动物门、棘头动物门等7 个门的动物类群( 陈品建，2 0 0 2 ) 。1 9 9 2 年权威动物学杂志“z o o l o g i c a lr e c o r d 第 1 2 8 卷采用该分类系统后，该观点被广泛接受，此后出版的绝大多数动物学教科 书均将线虫列为一个独立的门。然而，随着分子生物学的发展及在系统进化中的 应用，上述观点受到了挑战。多位动物分类学家( a g u i n a l d oe ta 1 ，1 9 9 7 ；d er o s ae t a 1 ，1 9 9 9 ；d u n ne ta 1 ，2 0 0 8 ；r o t a - s t a b e l l ie ta 1 ，2 0 0 9 ) 利用分子标记对动物类群进 行系统分析，建立的分类系统并不支持传统分类系统中以身体是否分节和体腔的 梭俺劲嘲门 蠕虫动钧i i 1 环节动铴门 璺虫动铴i 需虫动铴门 麓虫动物门 组形动物门 内腔动物r 1 扁形动物门 腹毛动铴门 帮嬲动铴门 轮虫动物门 苔舅动锄门 毛珏动铂门 缝虫动物门1 线形动铷门i 蠓 霓辩动铷门澧 劲嘲动铷门i 馨 铠早动物门i ” 缓步萄铴门l 胃爪动铴1 7i 节肢动铷门j 黧蓦器 雷棘皮动蜘门i 口 瓣嚣- j 需 脊囊劲锄1 一” ( a )b ) 图l - l 后生动物系统进化树( a ) 基于形态和胚胎学数据( ”基于分子证据 f i g 1 jp h y l o g e n e t i ct r e eo f m e t a z o 锄b a s e d0 1 1 ( a ) m o r p h o l o g i c a la n de m b r y o l o g i c a ld a t a ( w u 2 0 0 1 ) a n d m o l e c u l a re v i d e n c e ( d u n n , 2 0 0 8a n dt e l f o r d , 2 0 0 9 ) 类型作为主要划分指标的观点。新的分类系统将传统分类系统中的原口动物 4 露轮硒协 景口；犀协 膀嗍附隰辐曝 r1烩路i；：际淤降一一一 一 瞳 隰隧鏖 荫n 医蟛 囔旧恸胁， 门门门门门门门门门订门门门门门门n门物物物物物物物物物物物物物镌物锈物物 动动动动勘融勘动动动动劫科研赫动磷耐需素皮足藓爪步肢节体鳃善虫虫形骺膨孢 弩事薏拳腻莓霄缓节耀软曳爱鼓轮赢继剃劳 徐翔飞中山大学硕士学位论文 ( p r o t o s t o m e s ) 分成两类：一类为线虫等有蜕皮现象的类群组成的。蜕皮动物 ( e c d y s o z o a n ) ”，另一类为由环节动物等有担轮幼虫或成体具触手冠的动物组成的 “冠轮动物( l o p h o t r o c h o z o a ) ”( 图1 1 ) 。分子证据改写了后生动物的分类进化系 统，然而各动物类群间的进化关系尚不明确，线虫动物门与节肢动物门的进化关 系也一直是动物分类争论的焦点。线虫在动物进化系统中的确切位置还有待进一 步的研究确定。 1 1 2 线虫传统分类系统 早期线虫分类系统的建立主要依据形态特征。f i l i p j e v ( 1 9 3 4 ) 以侧器为主要性 状，其它特征作为补充建立了线虫分类系统。系统将线虫作为一个纲，下设1 1 个日，并首次对线虫的起源进行了讨论，提出了线虫的共同祖先是嘴刺目 ( e n o p l i d a ) 的海洋线虫的观点( f i l i p j e v ，1 9 3 4 ) 。c h i t w o o da n dc h i t w o o d ( 1 9 3 7 ) 发 展了f i l i p j e v 的系统，提出将线虫作为一个独立的门，下设有腺纲( a d e n o p h o r e a ) 和胞管肾纲( s e c e r n e n t e a x c h i t w o o da n dc h i t w o o d , 1 9 3 7 ) 。2 0 世纪5 0 年代以来， 线虫分类作为一项基础工作发展很快，随着新定名线虫种和高阶类群的快速增 加，线虫分类系统一直处在发展变化中。m a g g e n t i ( 1 9 8 3 ) 在总结前人经验的基础 上提出了一个新的线虫分类系统。在该系统中，线虫作为动物界下一个独立的门， 下含2 纲、5 亚纲、2 总目、1 8 目、1 2 亚目、3 8 总科1 9 6 科( m a g g e n f i ，1 9 8 3 ) 。 谢辉根据最新的分类趋势和观点对m a g g e n t i 的系统进行了修正，把在m a g g e n t i 系统中归于垫刃目( t y l e n c h i d a ) 下滑刃亚目( a p h e l e n c h i n a ) 升格为双胃亚纲 ( d i p l o g a s t e r i a ) - f - - 个目，把膜皮亚目( d i p h t h e r o p h o r i n a ) 从矛线! | ( d o r y l a i m i d a ) 移到三矛e 1 ( t r i p l o n c h i d a ) ，形成了个包含2 纲、5 亚纲、2 0 目的分类系统( 谢 辉，2 0 0 5 ) 。 线虫门下纲的划分，自三十年代以来观点比较一致，即根据尾感器( p h a s m i d s ) 的有无分为尾感器纲( p h a s m i d a x 也称胞管肾纲s e c e r n e n t e a ) 和无尾感器纲 ( a p h a s m i d a ) ( 也称有腺纲a d c n o p h o r c a ) 尾感器纲线虫身体尾端具一对尾感器， 无尾腺；化感器不发达；排泄器官为胞管状，位于身体两侧上皮索内；咽腺通常 为3 个；绝大多数为陆生，偶而在淡水中发现。下设小杆亚纲( r h a b d i t i d a ) 、旋 尾亚纲( s 曲诵a ) 和双胃亚纲( d i p l o g a s t e r i a ) 3 个亚纲，共7 个目。无尾感器纲线 5 基于r d n a 序列和形态的斯氏属线虫系统进化研究 虫身体尾端无尾感器，有尾腺；排泄器官腺状，由单细胞或多细胞腺体组成：海 水、淡水、土壤及动植物体内均有分布，下设嘴刺亚纲( e n o p l i a ) 和色矛亚纲 ( c h r o m a d o r i a ) 两个亚纲，共1 3 个目。 由于早期线虫分类依据的主要是光学显微镜下获得的形态特征，线虫形态 比较简单，可用于分类研究的形态特征比较少且受易环境因素的影响，加上不同 分类学家采用的分类标准不统一从而使不同分类系统存在较大的差异。例如， 从生态学角度看，尾感器纲生态环境复杂，包含有海洋、淡水、陆地和部分寄生 种类，作为复系的可能性较大，但形态方面很难找出确凿的证据。对于无尾感器 纲是一个复系还是单系也一直存在争议。扫描电子显微镜及透射电子显微镜的应 用对线虫的系统发生研究起到了一定的促进作用，但真正对线虫的系统发育研究 具有革命性影响的当属分子系统学和生物信息学的介入。 1 1 3 线虫分子分类系统 分子系统学研究几乎从根本上改写了传统意义上的生物系统发育关系。自 1 9 9 8 年以来，多位学者以1 8 sr d n a 为分子标记对线虫进行了系统分类学研究， 所得到的结论与基于形态和解剖特征的传统系统分类学研究所得结果有很大的 差异。b l a x t e r 等( b l a x t e re t a l ，1 9 9 8 ) 首次以1 8 sr d n a 为分子标记分析了4 8 个属 5 3 种线虫的系统进化关系，结果显示整个线虫门可分为5 个大支，每个分支均 包含有寄生和自由生活的种类。此后，鉴于b l a x t e r 等用于进行线虫系统进化分 析的种类较少且海洋线虫代表种严重不足，多位学者先后增加了纳入分析的线虫 种类，使得基于1 8 sr d n a 序列的线虫门的分子进化系统逐渐完善( h o l t e r m a ne t a 1 ，2 0 0 6 ；m e l d a le ta 1 ，2 0 0 7 ) 。h o l t e r m a n 等( 2 0 0 6 ) 构建了3 3 9 个几乎涵盖整个线 虫门的代表性线虫类群的1 8 sr d n a 系统进化树( 如图1 2 ) ，并在总结前人工作的 基础上，提出了基于1 8 sr d n a 序列分析的线虫动物门的分子分类系统。在该系 统中，所有线虫形成一个独立分支，与作为外群的其它门的动物明显分开，显示 将线虫作为一个独立的门是合理的。该系统将线虫门分为色矛纲( c h r o m a d o r e a ) 及嘴刺纲( e n o p l e a ) 两个纲，其中色矛纲只有一个亚纲一一色矛亚纲 ( c h r o m a d o f i a ) ，嘴刺纲包括嘴刺亚纲( e n o p l i a ) 和矛线i n l 纲( d o r y l a i m i a ) ，整个线虫 门包括1 9 个目及2 2 1 个科。 6 徐翔飞中山大学硕上学位论文 2 0 1 0 n ， 弓 3 舢 o ： o o ! 岂 j 蓄 图l - 2 线虫分子进化系统树( b l 础r1 9 9 8 ，d el e y2 0 0 6a n dh o l t e r m a n2 0 0 6 ) f i g 1 - 2p h y l o g e n e t i ct r e eo f n e m a t o d e t h er o m a nn u m e r a l si nt h el e f to f t h ef i g u r ec o r r e s p o n d t ot h ef i v eg r o u p sr e s p e c t i v e l yi nb l a x t e r ( 1 9 9 s ) a n da r a b i cf i g u r e si nt h ep a r e n t h e s i sc o r r e s p o n d t ot h et w e l v eg r o u p si nh o l t e r m a n ( 2 0 0 6 ) 根据该分子系统，在传统分类系统中作为一个纲的尾感器纲并非起源于线 虫的直接祖先，将其作为一个纲不合适，在分子系统中将其与t e r a t o c e p h a l i d a e 一起归于小杆e i ( r h a b d i t i d a ) ，处于色矛亚纲的进化树顶端，h o l t e r m a n ( 2 0 0 6 ) 指出 这一类线虫的核酸替代速率明显高于其它类群，推测其快速进化可能与寄生生活 型或短世代相关分子系统中每一个亚纲中均包含有自由线虫和寄生线虫， b l a x t e r ( 1 9 9 8 ，2 0 0 9 ) 等也根据进化树信息推测动物寄生线虫至少独立进化了6 次， 而植物寄生线虫则独立进化了3 次。依据形态数据的传统分类系统与基于分子数 据的进化树不一致可能与生物的趋同进化有关，许多高度分化的线虫在形态上非 7 ch召蚕02a m z o 勺r m 基于r d n a 序列和形态的斯氏属线虫系统进化研究 常相似。例如昆虫病原线虫中的斯氏科线虫和异小杆科线虫，它们具有相同的捕 食策略和病原特征，但在分子进化树中却不形成姊妹枝；矛线目和三刺目都能够 传播植物病毒，但两个目不是很相关。 1 1 3 1 嘴刺纲主要特征 三个亚纲世系在系统进化中出现的先后顺序尚未确定。1 8 sr d n a 数据显示 矛线亚纲( d o r y l a i m i a ) 可能更早分化出来，但矛线亚纲主要是淡水或陆生种群， 由此推断线虫的祖先很可能是种淡水生物，这与之前人们普遍认为的其祖先为 海洋线虫相矛盾，线虫的起源一直是线虫研究者争论的一个话题。矛线亚纲包括 大部分自由生活的矛线目( d o r y l a i m i d a ) 和单齿目( m o n o n c h i d a ) ，以及动物寄生的 索线n ( m e r m i t h i d a ) 、毛形i | ( t r i c h i n e l l i d a ) 和膨结虫h ( d i o c t o p h y m a t i d a ) 。矛线目 是嘴刺纲中进化最成功的一个类群，也是种多样性非常丰富的一个目，包括大约 有2 5 0 个已知属和2 0 0 0 个已知种，除了一些大型的肉食及杂食线虫，还包括传 播植物病毒的植物寄生线虫长针线虫( l o n g i d o r i d a e ) 。索线目的寄生方式与大 部分动物寄生不一样，在未长成成体之前就离开了宿主，这种只在线虫中才发现 的寄生方式暗示线虫可能具有更原始的寄生多样性。新系统也将毛首目 ( t d c h o c e p h a l i d a ) 拆分为两个目：毛形目和膨结虫目。在功能结构上，矛线亚纲 大部分类群在进化过程中出现了齿针，用以刺穿食物表皮汲取营养( d el e y 。 2 0 0 6 ) 。 嘴刺亚纲( e n o p l i a ) 的一些世系能够适应海洋，淡水及陆地生境，说明早期嘴 刺亚纲比矛线亚纲具有更强的渗透耐性。嘴刺亚纲主要包括两个目：嘴刺目 ( e n o p l i d a ) 及三矛目( t r i p l o n c h i d a ) 。三矛目在传统分类中被归入矛线亚纲( c l a r k ， 1 9 6 1 ；t h o m e ，1 9 3 9 ) ，嘴刺目内各类群的系统关系尚未明确( ( d el e ya n db l a x t e r , 2 0 0 4 ) 。此亚纲大部分分支都包括一些大型肉食类线虫，结构上具有钩齿，眼点 及一些牵张感受器( l o r e n z e n , 1 9 9 4 ) 。h o l t e r m a n 等( 2 0 0 6 ) 以18 sr d n a 为分子标 记，利用贝叶斯方法所建的系统进化树显示此亚纲处于系统树的最底层，该结论 也能被一些胚胎学及形态学数据所支持。例如三矛目中的一种自由生活线虫 t o b r i l u sd i v e r s i p a p i l l a t u s 具有腔囊胚及原肠胚形成阶段，这种特征在动物界非常 普遍而在线虫中很少见( s c k e 陀n b e r 舀2 0 0 5 ) ；此亚纲类群在早期胚胎形成过程中 8 徐翔飞中山大学硕士学位论文 没有不对称分裂生殖系，也不出现两侧对称，仅有一微弱集中的神经系统 ( m a l a k h o v ，1 9 9 4 ) ，而且还具有非常原始的性状如成熟精子保留核膜( l e e ，2 0 0 2 ) 1 1 3 2 色矛纲主要特征 色矛亚纲( c h r o m a d o r i a ) 是已知线虫系统进化树中最大的一个分支，主要有生 活在海洋中的色矛( c h r o m a d o r i a ) 、带矛( d e s m o d o r i d a ) 、淡水沉积泥中的单宫 目( m o n h y s t e r i d a ) 、潮湿土壤中的绕线目( p l c c t i d a ) 及陆生种群小杆目( r h a b d i t i d a ) 。 小杆目处于色矛亚纲进化树最顶端，与绕线科互为姊妹群。绕线科在传统分类中 被归为单宫目或疏毛目( a r d e o l a i m i d a ) ，后来升格为一个目。在形态上，绕线科可 作为色矛亚纲中海洋类群与陆生类群的一个过渡类群。h o t e r m a n ( 2 0 0 6 ) 所建立的 系统进化树显示绕线科所在的绕线目并不是一个单系，其中的两个科b a s t i a n i i d a e 和r h a b d o l a i m i d a e 与嘴刺目一起位于整个线虫门的基部。在传统线虫分类系统 中，轴线虫科( a x o n o l a i m i d a e ) 和联体线虫科( c o m e s o m a t i d a e ) 的分类位置一直有 争议，有些学者根据它们卵巢外伸或具有后食道管将其归入单宫目或疏毛n ( d e l e ya n db l a x t e r , 2 0 0 2 ) ：也有一些学者将联体线虫科归为色矛目，因为其具有斑 状表皮、螺旋状头感器及雄虫具有前泄殖器。分子证据显示此两科不形成姊妹群， 轴线虫科属于疏毛目而联体线虫科属于单宫目。但仍有许多亚目及亚种间的进化 关系在已知的分子树中不能清晰地表现出来。 小杆目在新系统中与轴线虫科和绕线科有共同祖先，其下分为四个亚目：小 杆亚目( r h a b d i t i n a ) ，垫刃亚目( t y l e n c h i n a ) ，旋尾亚目( s p i r u r i n a ) 和 m y o l a i m a n a ( 如图1 3 ) 。此目的总体特征为表皮分化程度高，具环状肌肉球，体 型紧凑。自由生活类群体型显著小于其它两个亚纲的自由生活线虫，可能与其生 活周期短、繁殖速度快有关。小杆目在进化过程中出现能够增进幼虫寿命和韧性 的特殊幼虫阶段带鞘阶段( d a u e rs t a g e ) 。目前发现真正的具有带鞘阶段的小 杆目线虫只存在于小杆亚目中，其它一些世系如盘咽线虫( p a n a g r o l a i m s ) 和 m y o l a i m u s 具有类似带鞘阶段的原鞘阶段q , r o t o - d a u e r ) ，推测原鞘阶段更早进化 而来，为带鞘阶段的出现作准备。真正的带鞘阶段具有不进食，高度分化及高度 扩散等特征，为线虫搜寻宿主并进入其内部器官提供很大便利。小杆亚目线虫包 括三大类：小杆线虫( r h a l x l i t o m o r p h a ) 、b u n o n e m a t o m o r p h a 和双胃线虫 ( d i p l o g a s t c r o m o r p h a ) 。圆线虫( s t r o n g y l i d ) 作为种重要的动物寄生线虫及其成虫 9 基于r d n a 序列和形态的斯氏属线虫系统进化研究 具有非常复杂的形态特征在传统分类中自成一目，然而从18 sr d n a 数据、幼虫 形态及雄虫生殖特征可以确定其来源于小杆线虫 ，j 、杆线虫主要包括秀丽隐杆线 虫( ce l e g a n s ) 、昆虫病原线虫中的异小杆线虫和其它一些雄虫与雌虫生殖系统差 异很大的线虫( d el c y ，2 0 0 6 ) 。双胃线虫包括卫星模式种p r i s t i o n c h u sp a c i f i c u s ，形 态上认为其最近亲缘种为某些小杆线虫，而分子系统却显示为 b u n o n e m a t o m o r p h a 。b u n o n e m a t i d 具有其它线虫非常罕见的解剖形态，背腹对称 处排列有一些结构复杂的表皮附属物，使其能够特异性适应在腐烂物表面生活。 r h a b d i t o m o r p h a b u n o n e m a t o m o r p h a d i p l o g a s t e r o m o r p h a 6 r e v i b u c c i d a e p a n a g r o l a i m o m o r p h a c e p h a i o b o m o r p h a t y l e n c h o m o r p h a m y o l a i m i d a e a s c a r i d o m o r p h a s p i r u r o m o r p h a r h i q o n e m a t o m o r p h a o x y u r i d o m o r p h a g n a t h o s t o m a t o m o r p h a d r a c u n c u l o i d e a t e r a t o c e p h a l i d a e p l e c t i d a 】r h a b d i t i n a t y l e n c h i n a m y o l a i m i n a s p i r u r i n a 图l - 3 小杆目线虫分子进化系统( d ei c y2 0 0 6 ) f i g 1 3t h ep h y l o g e n e t i ct r e eo fr h a b d i t i d an e m a t o d e 垫刃线虫( t y l e n c h o m o r p h a ) 主要为植物寄生型，具有可伸缩i s l 针，与矛线线 虫的齿针和毛刺线虫( t r i c h o d o r i d s ) 的食道齿形态相似。1 8 sr d n a 序列表明垫刃 线虫最近的亲缘类群是与其形态差异极大的头叶线虫( c e p h a l o b o m o r p h a ) ，两类线 虫在分子系统中与盆咽线虫( p a n a g r o l a i m o r p h a ) - - 起并为垫刃亚目。垫刃