（动物学专业论文）应用18s+rdna和16s+rdna序列研究蝗总科昆虫的系统进化.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：崮塑! 生 日期：2 生芝耋! 旦翌旦 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，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 校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有 权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本 规定。 作者签名：宣垄堑至 日期：尘! i 主兰臼茎旦 中文摘要 摘要 蝗虫是直翅目o r t h o p t e r a 蝗亚目c a e l i f e r a 蝗总科a c r i d o i d e a 昆虫的通称，是分布 较为广泛的农、林、牧业重要害虫。蝗总科昆虫的科级分类一直是一个存在争议的问 题，也是直翅目昆虫系统发育研究中的一个热点。我国学者一般基于形态将蝗总科分 为9 个科，我国分布有8 个科。但此分类系统与国外学者所用的分类系统差别较大， 给我们与国外的同行进行学术交流带来了很大的障碍，因此我们从分子水平上探讨蝗 总科9 科的系统发育关系，以为完善蝗总科分类系统提供一些必要的分子证据。 一、我们首先利用1 8 sr d n a 序列片段、使用n j 、m p 、m l 和贝叶斯法研究了 蝗总科9 科2 2 种的系统发育关系，得到如下结果：1 ) 所研究的内群分为4 支：第一 支由锥头蝗科与瘤锥蝗科的种类组成；第二支由大腹蝗科的种类组成；第三支由癞蝗 科的种类组成；第四个聚类簇由斑腿蝗科、斑翅蝗科、网翅蝗科、槌角蝗科和剑角蝗 科的种类组成。2 ) 锥头蝗科和瘤锥蝗科在系统树上交替相聚，二者都不是单系群， 建议将它们合并为一个科，即锥头蝗科。3 ) 系统树上的第四支中的斑腿蝗科、网翅 螅科、棒角蝗科与剑角蝗科都不是单系群；第四支所包括的5 个科之间的亲缘关系非 常近，建议将它们合并为一个科，即蝗科a e r i d i d a e ；4 ) 建议将蝗总科分为4 科，即 锥头蝗科、大腹蝗科、癞蝗科与蝗科。 二、在应用1 8 sr d n a 序列对蝗总科系统发育研究的基础上，我们随后应用1 6 s r d n a 序列分别研究了斑腿蝗科的系统发育关系。我们测定了斑腿蝗科1 0 亚科2 0 种 蝗虫和其它蝗科3 种蝗虫的1 6 sr d n a 序列片段，并从g e n b a n k 中下载了斑腿蝗科3 种、其它蝗科1 0 种及蚱总科2 种的1 6 sr d n a 相应序列片段，然后对这共计3 8 种蝗 亚目昆虫的1 6 sr d n a 序列片段进行了同源性比较，以其中2 种蚱作外群构建了蝗总 科的分子系统树，得到的结论如下：1 ) 斑腿蝗科并非是一单系群。2 ) 该科中的切翅 蝗亚科、稻蝗亚科、黑蝗亚科、秃蝗亚科、卵翅蝗亚科、蔗蝗亚科均不是单系群，分 子系统树的聚类结果与基于形态特征的斑腿蝗科的分类体系有较大的出入。3 ) 支持 将黑蝗亚科和秃蝗亚科合并为一个亚科一一秃蝗亚科。4 ) 卵翅蝗、伪稻蝗和稻蝗三者 有很近的亲缘关系。 三、在对斑翅蝗科系统发育的研究中，我们共测定了斑翅蝗科4 亚科1 5 种蝗虫 的1 6 sr d n a 序列片段，并从g e n b a n k 中下载了斑翅蝗科6 种、其它蝗科9 种的1 6 s r d n a 相应序列片段，然后对这共计3 0 种蝗总科昆虫的1 6 sr d n a 序列片段进行了同 ! 苎塑茎 源性比较，以瘤锥蝗科的金澜沧蝗m e k o n g i e l l ak i n g d o n i 和锥头蝗科短额负蝗 a t r a c t o m d 阳触s i n e n s i s 的作外群构建分子系统树，得到的结果如下：1 ) 分子系统树 上，斑翅蝗科的种类除疣蝗外全部聚在了一起，建议将斑翅蝗科作为蝗科的一个亚科。 2 ) 分子系统树的聚类结果与斑翅蝗科4 亚科的分类体系有很大的出入，不支持异痂 蝗亚科的成立，斑翅蝗亚科、飞蝗亚科都不是单系群。 关键词：蝗总科，斑翅蝗科，斑腿蝗科，1 8 sr d n a ，1 6 sr d n a ，系统发育，分类系统 2 茎苎；塑墨 a b s t r a c t g r a s s h o p p e r s ，d i s t r i b u t i n gw i d e l yi nt h ew o r l d ，a r eg e n e r a lc a l lo f a c r i d o i d e ai n s e c t s b e l o n g i n gt o c a e l i f e r ao fo r t h o p t e r a ，m o s to fw h i c ha r ep e s t si na g r i c u l t u r e t h e c l a s s i f i c a t i o no fa c r i d o i d e ah a sb e e nac o n t r o v e r s i a li s s u ef o ral o n gt i m ea n di sah o t s p o t o fp h y l o g e n e t i cr e s e a r c ho fo r t h o p t e r a a c r i d o i d e ai sg e n e r a l l yd i v i d e di n t on i n ef a m i l i e s b yc h i n e s es c h o l a r s ，e i g h tf a m i l i e so fw h i c ha r ed i s t r i b u t e di nc h i n a t h i st a x o n o m i c s y s t e mi sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h eo n eu s e dw i d e s p r e a d l yb yf o r e i g ns c h o l a r s n o wt h e c h i n e s et a x o n o m i cs y s t e mb r i n g sah u g eo b s t a c l ef o rs c i e n c ec o m m u n i c a t i o nw i t hf o r e i g n s c h o l a r s i no r d e rt op r o v i d ee n o u g hp r o o f sf o ri m p r o v i n gt h et a x o n o m i cs y s t e mo f a c r i d o i d e a , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ep h y l o g e n yo fn i n ef a m i l i e so fa c r i d o i d e ab a s e do n m o l e c u l a rm a r k e r s f i r s t ，u s i n gf r a g m e n t so f18 sr d n a ，w es t u d i e dt h ep h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p sa m o n g 2 2s p e c i e so fn i n ef a m i l e so fa c r i d o i d e aw i t l ln j m p , m la n db a y e s i a nm e t h o d s t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：1 1t h ei n g r o u p ss t u d i e da r ed i v i d e di n t of o u rc l a d e so nt h e m o l e c u l a rp h y l o g e n e t i ct r e e st h a tw er e c o n s t r u c t e d c l a d ei c o n s i s t so ft h es p e c i e so f p y r g o m o r p h i d a ea n dc h r o t o g o n i d a e ，c l a d ei i c o n s i s t so ft h es p e c i e so fp n e u m o r i d a e ， c l a d el l ic o n s i s to fs p e c i e so fp a m p h a g i d a ea n dc l a d ei vc o n t a i n ss p e c i e so fc a t a n t o p i d a e ， o e d i p o d i d a e ，a r c y p t e r i d a e ，g o m p h o c e r i d a ea n da c r i d i d a e 2 ) b e c a u s ep y r g o m o r p h i d a e a n dc h r o t o g o n i d a ea r ec l u s t e r e da l t e r n a t e l yo nm o l e c u l a rp h y l o g e n e t i ct r e e s ，t h e ya r en o t m o n o p h y l e t i c i ti ss u g g e s t e dt h a tt h et w of e m i l i e ss h o u l db ec o m b i n e di n t oaf a m i l y p y r g o m o r p h i d a e 3 、t h ep h y l o g e n e t i c 拄e e si n d i c a t et h a tt h ef o u rf a m i l i e si nc l a d ei v , i n c l u d i n gc a t a n t o p i d a e ，a r c y p t e r i d a e ，g o m p h o c e r i d a e a n da c r i d i d a e ，a r en o t m o n o p h y l e t i c t h er e l a t i o n s h i p sa m o n g t h ef i v ef a m i l i e sc l a d ei vc o n t a i n sa r ev e r yc l o s e ， s ow es u g g e s tt h a tt h e s ef i v ef a m i l i e sc r nb ec o m b i n e di n t oaf a m i l ya e r i d i d a e 4 ) i ti s s u g g e s t e dt h a t a c r i d o i d e as h o u l db ed i v i d e di n t of o u r f a m i l i e s ，p y r g o m o r p h i d a e ， p n e u m o r i d a e ，p a m p b a g i d a ea n d a c r i d i d a e s e c o n d ，w ee x p l o r e dt h ep h y l o g e n yo fc a t a n t o p i d a e f o rp h y l o g e n e f i cr e s e a r c ho f c a t a n t o p i d a e 1 6 sr d n af r a g m e n t sw e r es e q u e n c e df o r2 0s p e c i e sf r o m1 0s u b f a m i l i e so f t h ec a t a n t o p i d a ea n d3s p e c i e so fo t h e rf a m i l i e so fa e r i d o i d e a , a n dt h eh o m o l o g o u s s e q u e n c e so f1 5s p e c i e so fg r a s s h o p p e r sw e r ed o w n l o a d e df r o mt h eg e n b a n kd a t al i b r a r y a f t e ra l i g m n e n tf o rt h e s es e q u e n c e so f3 8s p e c i e so fg r a s s h o p p e r s ，p h y l o g e n i e sw e r e r e c o n s t r u c t e db yc h o o s i n gt e t r xj a p o n i c aa n dt e r e d o r u sc a r m i c h a e l ia so u t g r o u p t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：1 ) t h em o n o p h y l yo fc a t a n t o p i d a ei sn o ts u p p o s e db yp h y l o g e n e f i c 3 茎兰塑萋 t r e e s 2 ) i n s i d eo fc a n t a n t o p i d a e ，n o n e o ft h e mi n c l u d i n g c o p t a c r i n a e ，o x y i n a e m e l a n o p l i n a e ，p o d i s m i n a e ，c a r y a n d i n a e ，h i e r o g l y p h i n a ei ss u p p o r t e da sam o n o p h y l e f i c g r o u p t h er e s u l t s i s v e r yd i f f e r e n t f r o mc l a s s i f i c a t i o no fc a t a n t o p i d a eb a s e do n m o r p h o l o g y 3 ) c o m b i n i n gp o d i s m i n a ea n dm e l a n o p l i n a ea sa ns u b f a m i l yp o d i s m i n a ei s s u p p o r t e db yp h y l o g e n e f i ct r e e s 4 ) t h e s eg e n e r ac a r y a n d a ，o x y aa n dp s e u d o n y ma r e c l o s e l yr e l a t e dt oe a c ho t h e r t h i r d ，1 6 sr d n a f r a g m e n t so f o e d i p o d i d a ew e r es e q u e n c e df o r1 5i n d i v i d u a l sf r o m4 s u b f a m i l i e so fo e d i p o d i d a e ，a n dt h eh o m o l o g o u ss e q u e n c e so f15s p e c i e so fg r a s s h o p p e r s w e r ed o w n l o a d e df r o mt h eg e n b a n kd a t al i b r a r y a f t e ra l i g m e n tf o rt h e s es e q u e n c e so f 3 0 s p e c i e so fg r a s s h o p p e r s ，p h y l o g e n i e sw e r e r e c o n s t r u c t e d b yc h o o s i n gm e k o n g i e l l a k i n g d o n i o fc h r o t o g o n i d a ea n da t r a c t o m o r p h as i n e n s i so fp y r g o r m o r p h i d a ea s o u t g m u p s t h er e s u l t sa r c a sf o l l o w s ：1 ) a l lt h es p e c i e so fo e d i p o d i d a ee x c e p tf o r t r i l o p h i d i aa n n u l a t aa r eg a t h e r e dt o g e t h e ro nt h em o l e c u l a rp h y l o g e n e t i ct r e e s i ti s s u g g e s t e dt h a to e d i p o d i d a e s h o u l db ea sas u b f a m i l yo e d i p o d i n a ei na c r i d i d a e 2 ) b r y o d e m e l l i n a ei sn o ts u p p o r t e da sas u b f a m i l y ，a n dn e i t h e rl o c u s t i n a en o ro e d i p o d i n a ei s s u p p o r t e da s am o n o p h y l e t i cg r o u po np h y l o g e n e t i ct r e e s t h er e s u l t so fp h y l o g e n y r e s e a r c ha r en o tc o n c o r d a n tw i t hc l a s s i f i c a t i o no fo e d i p o d i d a ed i v i d i n gi n t o4s u b f a m i l i e s b a s e do nm o r p h o l o g y k e yw o r d s ：a e r i d o i d e a ；c a t a n t o p i d a e ；o e d i p o d i d a e ；1 8 sr d n a ；1 6 sr d n a ； p h y l o g e n y ；t a x o n o m i cs y s t e m 4 刖吾 蝗虫是广泛分布于世界各地的农、林、牧业重要害虫之一。历史上，蝗灾与水灾、 旱灾并称为三大自然灾害，曾经给人民的生活、生产甚至生存带来了深重的灾难。据 史书记载，自春秋时代至新中国成立的二千六百余年间共发生蝗灾八百多次，每次蝗 灾所造成的严重后果触目惊心( 夏凯龄等，1 9 9 4 ) 。新中国成立后，在共产党的领导 下，大力兴修水利，蝗灾已得到控制。 全世界大约有1 1 0 0 0 多种蝗虫，我国已记载9 0 0 多种，对这些蝗虫的科级分类一 直是一个存在争议的问题，也是直翅目昆虫系统发育研究中的一个热点。多年来，我 国蝗虫分类工作者对蝗总科的分类和系统发育做了大量的工作，基于形态特征提出了 适合我国蝗虫分类学研究的新分类系统( 夏凯龄，1 9 5 8 ；印象初，1 9 8 2 ；刘举鹏，1 9 9 1 ： 郑哲民和乔格侠，1 9 9 8 ；许升全和郑哲民，1 9 9 9 ) ，现在我国学者一般公认将蝗总科 分为9 个科，我国分布有8 个科( 郑哲民和乔格侠，1 9 9 8 ：许升全和郑哲民，1 9 9 9 ； 郑乐怡等，1 9 9 9 ) 。但此分类系统与国外学者所用的分类系统差别较大( f l o o ka n d r o w e l l ，1 9 9 7 a ) ，给我们与国外的同行进行学术交流带来了很大的障碍，因此，有必 要进一步从分子水平上探讨蝗总科9 科的系统发育关系，以期为完善蝗总科分类系统 提供充足的证据。 我们选择1 8 sr d n a 和1 6 sr d n a 序列为标记对我国蝗总科昆虫的系统发育进行 了较为详尽的研究。现将研究结果汇总成文。本论文主要分五章：第一章，对核基因 序列在昆虫分子系统学上的应用及蝗总科昆虫系统学研究进行了概述；第二章，应用 1 8 sr d n a 序列研究了蝗总科的系统发育关系，并根据研究结果探讨了蝗总科的科级 分类；第三、四章，应用1 6 sr d n a 序列探讨了斑腿蝗科和斑翅蝗科的单系性，对蝗 总科和斑腿蝗科及斑翅蝗科的系统发育关系进行了分析，探讨了斑腿蝗科和斑翅蝗科 各亚科的分类地位；第五章，根据以上研究结果和讨论，阐述了本论文得到的几个重 要结论。 苎二童垫苎里堡型垄垦皇坌三墨竺兰圭竺堕旦墨些璺型垦皇墨竺兰堕塞堂墅 第一章核基因序列在昆虫分子系统学上的应用及蝗总科 昆虫系统学研究进展 1 1 核基因序列在昆虫分子系统学上的应用 分子系统学是从分子水平上研究生物的多样性及其进化规律的- - f 7 学科( 黄原， 1 9 9 8 ) 。由于d n a 序列中含有丰富的生物学信息，记载了生物进化的历史，随着p c r 技术的发展和d n a 测序技术的成熟，应用d n a 序列研究生物的系统发育和进化规 律成为当前分子系统学研究的热点。线粒体基因作为一种分子标记，具有分子量小， 无间隔序列，结构简单，母系遗传，几乎不发生倒位、易位等畸变与重组，含量丰富， 易于提取等优点，被广泛地应用于昆虫的系统发育研究。但线粒体作为一种半自主性 的细胞器，其发育受线粒体基因和核基因的双重控制，核基因对线粒体基因的进化有 可能造成一定的影响，核基因组中还存在线粒体基因的假基因，从而使线粒体基因用 于系统发育的可靠性和准确性受到影响( v a u g h a ne l a l ，1 9 9 9 ；b e n s a s s o ne t a l ，2 0 0 0 ) 7 由于线粒体基因是母系遗传，其中所含的进化信息并不能完全代表双亲进化的历史， 在种群系统学研究中，如果某些物种其种群的性别结构存在性偏异，例如其婚配方式 是一雄多雌制，雄性对种群的遗传结构的贡献要比雌性大得多，那么根据线粒体基因 得到的信息可能不能完全反映出种群的遗传结构，甚至得到的是错误的结果。因此线 粒体基因树可能只是部分地或有偏异地代表了生物的系统发生，而生物的性状基本上 是由核基因决定的，核基因中含有更加丰富的生物学信息，用适当的核基因研究昆虫 的系统发育，其结果更有可能比较真实地反映出昆虫的进化历史。l i na n dd a n f o r t h ( 2 0 0 4 ) 对7 个目昆虫的1 2 组线粒体基因与核基因的联合数据组进行了分析，结果 表明核基因与线粒体基因相比有以下优点：第一、核基因一般比线粒体基因进化得慢， 这使它们成为一种解决分歧久远的比较好的标记：第二、核基因构建的树普遍有比较 高的c i 值，与线粒体基因相比更有助于整棵树的解决；第三、核基因的碱基位点速 率变异有更高的同质性：第四、核基因的碱基替代速率距阵比线粒体基因的要均匀。 两位学者认为：由于核基因没有线粒体基因的替代偏异特征，昆虫分子系统学应该更 加关注核基因数据而不是线粒体基因数据。总之，当前运用核基因序列或将核基因序 列与线粒体基因相结合研究昆虫的系统发育正成为该领域的一种发展趋势。为此，我 们对核基因序列在昆虫分子系统学方面的应用作一简要介绍。 第一章核基因序列在昆虫分子系统学上的麻用及蝗总科昆虫系统学研究进展 1 1 1 核核糖体r n a 基因序列在昆虫分子系统学上的应用 r r n a 是构成核糖体的主要成分，在细胞内含量很高，约占总r n a 的8 0 8 5 。 真核生物的1 1 1 r n a 包括大小两个亚基。大亚基由主要为2 8 s 、5 8 s 和5 sr r n a 组成， 小亚基为1 8 sr r n a 。r r n a 基因在真核生物基因组中以串联重复方式存在，其中1 8 s 、 5 8 s 的2 8 sr r n a 基因组成一个转录元，产生一个前体r n a ，在形成r r n a 时有2 个内转录片段被剪切，第一段位于5 8 s 和1 8 sr r n a 之间，第二段位于5 8 s 和2 8 s r r n a 之间，分别称之为i t s l ( i n t e m a lt r a n s c r i b e ds p a c e r1 ) 和i t s 2 。由于5 8 s 和5 s r r n a 基因序列较短，在分子系统学中应用较少，而1 8 s 、2 8 sr r n a 和i t s 的基因序 列在昆虫分子系统学得到了广泛的应用。 1 1 1 11 8 sr d n a 真核生物的染色体上编码核糖体小亚基r n a 的基因称为1 8 sr d n a ，由于1 8 s r r n a 基因在蛋白质合成中具有重要的功能，因此其基因序列及二级结构高度保守， 一般认为它比较适合于研究高级阶元的系统发育。许多学者已经用1 8 sr d n a 序列 研究昆虫的分子系统学，例如，f l o o k 和r o w e l l ( 1 9 9 8 ) 测定了2 9 种多新翅类 p o l y n e o p t e r a 昆虫的1 8 sr d n a 全序列，并结合g e n b a n k 数据库中的8 种其它昆虫的 1 8 sr d n a 全序列，重建传统的古翅亚部p a l a e o p t e r a 和新翅亚部n e o p t e r a 昆虫的系统 发育，其结果表明直翅目是一单系群。b o u r g o i ne ta l ( 1 9 9 7 ) 用1 8 sr d n a 研究了 半翅目h e m i p t e r a 蜡蝉亚目f u l g o r o m o r p h a 昆虫的系统发育，基于简约法分析，他们 得到了蜡蝉亚目是一单系群、蚁蜡蝉科t e t t i g o m e 仃i d a e 与其它蜡蝉亚目的科是非姐妹 群关系的结论。m a r v a l d ie ta l ( 2 0 0 2 ) 将1 8 sr d n a 序列数据和形态数据相结台，研 究了象甲总科c u r c u l i o n o i d e a 各科之间的系统发育，他们得到的树的拓扑结构很好地 解决了各科的单系性和它们之间的关系。r i b e r ae t a l ( 2 0 0 2 ) 用1 8 sr d n a 证明了肉 食亚目( a d e p h a g a ) i 尹虫水生的几个科，即水生肉食类h y d r a d e p h a g a 的单系性。 1 1 1 22 8 sr d n a 2 8 sr d n a 是真核生物的染色体上编码核糖体大亚基的基因，同1 8 sr d n a 一样， 2 8 8r d n a 由于其重要的生物学功能，在进化过程中比较保守，但与1 8 sr d n a 相比， 变异性较大，也是研究生物高级阶元系统发育较好的分子标记。在2 8 sr d n a 保守的 序列中含有1 2 个高变区( d 1 一d 1 2 ) ，因此也可用来解决从种到科水平上的系统发生关 系( d i e t r i c he t a l ，2 0 0 1 ) 。w h i t i n ge t a l ( 1 9 9 7 ) 用2 8 sr d n a 的d 3 区和1 8 sr d n a 序列片段，并结合形态数据对全变态昆虫各目之间的关系进行了探讨；m u k h a 甜讲 第一章核基因序列在昆虫分子系统学上的应用及蝗总科昆虫系统学研究i 趁垦 ( 2 0 0 2 ) 等在对蜚蠊目昆虫的系统发育研究时发现2 8 sr d n a 序列片段在各单元之间 的序列歧异为1 1 - 1 9 ，用简约法和最大似然法重建的分子系统树中各个节点都到很 好的支持，因此他认为2 8 sr d n a 含有足够的信息位点解决蟑螂的系统发育，是研究 蜚蠊目高级阶元系统发育的一个极好的基因。d i e t r i c h e l a l ( 2 0 0 1 ) 用长为3 5 k b ，包 含d 2 d 1 0 变异区的2 8 sr d n a 序列片段研究了半翅目h e m i p t e r a 角蝉总科 m e m b r a e o i d e a 中主要类群的系统发育，其结果支持根据化石和生物地理学所提出的 假说，即角蝉( 犁胸蝉科a e t a l i o n i d a e 和角蝉科m e m b r a e i d a e ) 起源于叶蝉( 叶蝉科 c i c a d e l l i d a e ) 。李芳芳等( 2 0 0 3 ) 利用2 8 sr r n a 基因d 2 序列基于n j 法和m p 法 对膜翅目优茧蜂亚科e u p h o r i n a e 内的分子系统发育关系进行了研究，结果表明，由 分子数据产生的不同的分子系统树均显示优茧蜂亚科是一个单系群，依据形态定义的 优茧蜂族e u p h o r i n i 、瓢虫茧蜂族d i n o c a r n p i n i 、缘茧蜂族p e r i l i t i n i 、姬蜂茧蜂族 s y n t r e f i n i 、大颚茧蜂族c o m s o p h o r i n i 和宽鞘茧蜂族c e n t i s t i n i 不是单系，但研究结 果支持悬茧蜂族m e t e o r i n i 和食甲茧蜂族m i c r o c t o n i n i 是单系的结论。 1 1 1 _ 3i t s 核糖体内转录间隔区( i t s ) 通常包括核r d n a 顺反子的i t s l 和i t s 2 ，i t s l 指位 于1 8 s 和5 8 sr d n a 之间的片段，i t s 2 指位于5 8 s 和2 8 sr d n a 之间的片段。虽然核 r d n a 顺反予在真核生物的核仁组织区具有数百个拷贝，但由于存在一种快速的协同 进化过程而导致了重复单位的一致性，因此i t s 可被看作为单拷贝基因( c o l e m a n ， 2 0 0 3 ) 。核r d n a 顺反子产生的前体r n a 在形成r r n a 时i t s l 和i t s 2 就会被剪切掉，不 参加核糖体的形成，因此受到的选择压力小，进化速度快，可用来研究种群分化、种 或属间的系统发育。例如，g o m e z z u r i t ae t a l ( 2 0 0 0 ) 利用i t s 2 的序列探讨了鞘翅目 叶甲科的n m a r c h a 属的3 4 个种之间的系统发生关系，研究结果表明种间的序列差异 范围为0 0 0 2 - 0 1 6 6 ，亚属间序列差异范围为0 1 2 4 0 2 0 6 ，基于i t s 2 序列和以前基于线 粒体基因序列得到的系统发育结果相一致。w e e k e r se t a l ( 2 0 0 1 ) 用i t s 序列探讨了西 地中海沿岸和西欧的c a l o p t e r y x 属蜻蜒之间的系统发生关系，i t s 2 序列长度在两地区 此类昆虫之间没有变化，但i t s l 序列长度略有变化，另夕 - i t s l 和i t s 2 的序列差异分别 是1 4 5 和6 1 ：m u c c i oe ta 1 ( 2 0 0 0 ) 用i t s 2 研究了双翅目d i p t e m 自蛉属p h l e b o t o m u s 的l a r r o u s s i u s 、q t i 属6 个代表种和p h l e b o t o m u s 亚属1 个代表种之间的系统发生关系，结果 支持l a r r o u s s i u s 亚属是一单系群，和形态学结果相一致，另外他基于i t s 2 序列的差异 认为形态上差别不大的p p e r n i c i o s u s 和p 1 0 n g i c u s p i s 确实是两个不同的种。 e n k i n s 塑= 兰堕苎旦壁型垄垦墨坌王至篓堂：! 塑生旦墨些璺型垦皇至竺兰婴鉴堂星 p t a lf 2 0 0 1 ) 根据用i t s 2 和线粒体基因c 0i 及c o i i 对欧洲地下性营巢的犀白蚁科 r h i n o t e n n i t i d a e 的种类的系统发育分析结果研究了基因流和种群结构、进化方式、分 类和外来传入的动力，邻接法和筒约法分析表h j r e t i c u l i t e r m e sl u c i f u g u sg m 蚶e f 的多个 母系世系可能是从法国西南部传入英 d e v o n 地区的，分子系统学和形态学、化学分 类学的证据都强烈支持r s a n t o n e n s i s 和r f l a v i p e s 是同一个种。 1 1 2 编码蛋白质的核基因序列在昆虫分子系统学上的应用 在昆虫分子系统学研究中，编码蛋白质的核基因( n u c l e a rp r o t e i n c o d i n g g e n e s ) 的应用与线粒体基因和核核糖体基因相比，应用较少，但由于编码蛋白质的 核基因种类多，信息量丰富，进化速率范围广，虽有拷贝数低、不易扩增、杂合体的 普遍存在而导致相互间缺乏可比性的不利因素存在，但编码蛋白质的基因仍具有研究 各个分类阶元水平系统发育的美好前景，许多学者对其在分子系统学上的应用已经做 了大量的尝试。 1 1 2 ie f 1 a 基因 e f 1 q 是一种编码蛋白的核基因，涉及到依赖g t p 氨t r n a 和核糖体受位的结合。 由于氨基酸序列的保守性，e f l e t 被看作是一个有潜力的研究高级阶元系统发育，特 别是昆虫的高级阶元系统发育的基因；e f 1 a 基因中存在一些进化速度比较快的内 元，因此它也可以分析低阶元的系统发育问题。鉴于昆虫的e f 1 a 和c o i 、1 6 sr n a 、 1 8 sr n a 基因在较广的分歧范围内都有信息位点，并且在分子系统学中也得到了广 泛的应用，c a t e r i n oe ta 1 ( 2 0 0 0 ) 主张将它们作为昆虫分子系统学研究中的标准分子 标记。m i t c h e l le ta l ( 1 9 9 7 ) 用e f 一1 a 序列分析了代表夜蛾总科n o c t u o i d e a 中4 9 种 蛾之间的系统发育，简约法和距离法分析结果都支持形态上具有共源性状的类群为单 系群。并提出可以根据e f 1 a 的同义突变有希望重建夜蛾总科和其它第三纪类群的 系统发育。s a n c h i se t a l ( 2 0 0 1 ) 用e f - 1 的内元研究了欧洲的拟寄生生活的蚜茧蜂 亚科a p h i d i i n a e 的p a u e s i a 属的系统发育，分析结果表明基于e f 1 得到的系统发育 结果与传统基于形态对亚属的分类明显不同，并认为传统的对p a u e s i a 属的三个亚属 ( p a r a p h i d i u s , p a u e s i a f t p a u e s i e l l a ) 的划分并不可靠， 1 1 _ 2 2p e r i o d ( p e r ) 基因 p e r i o d 基因最早在果蝇中发现，此基因的突变会造成果蝇化蛹和昼夜活动节律 异常( 郑向忠等，1 9 9 8o 除了双翅目昆虫外，p e r 基因还存在鳞翅目昆虫和哺乳动 物中( j e r o m ee t a l ，1 9 9 8 ) 。虽然许多人猜测p e r i o d 基因的功能高度保守，但序列分 9 第一章核基因序列在昆虫分子系统学上的应用及蝗总科昆虫系统学研究进展 析结果表明p e r i o d 基因进化速率较快，因此主要利用p e r i o d 基因分析低阶元的系统 发育问题。p a s 域和t h r - g l y 重复区段，特别是p a s 区段，是p e r i o d 基因用于系统学 研究的两个主要区段，前者与后者相比，相对较为保守，而t h r - g l y 区段在种内和种 间都存在丰富的变异。r e g i ee ta 1 ( 1 9 9 8 ) 用长为9 0 9 b p p e r i o d 基因保守片段研究了 2 6 种鳞翅目昆虫的系统发育，发现在同一组紧密相关的物种内p e r i o d 基因氨基酸的 替代速率是另外两个核基因多巴脱羧酶( d o p ad e c a r b o x y l a s e ) 和e f 1a 基因的 4 9 和4 4 倍，在与其它基因相结合情况下，p e r i o d 基因仍是解决鳞翅目科级和总科 级系统关系的有效基因。b a u z e re ta 1 ( 2 0 0 2 ) 用长2 6 6 b p 的p e r i o d 基因片段( 包括 一个长5 4 b p 的内元和p a s 与t h r - g l y 区段之间的一部分编码区) 研究了巴西白蛉亚科 p h l e b o t o m i n a el u t z o m y i al o n g i p a l p i s 三个种群的分子多态性，结果表明三个种群高度 分化，三者之间基因流水平很低，这与其他学者根据信息素和求偶歌的研究结论“巴 谣存在姐妹复合种”相一致。m a z z o n ie l a l ( 2 0 0 2 ) 研究了p e r i o d 基因在吸血白蛉( 双 翅目d i p t e r a ：蛾蠓科p s y c h o d i d a e ) 中的分子进化，结果表明在所分析的4 个区段中 有3 个区段低于同区段果蝇的速率。t h r - g l y 重复区段，白蛉与果蝇相比，短且稳定： 另外作者还对8 种新热带区的和1 种旧大陆的白蛉进行了系统发育分析，其结果只有 n y s s o m y i a 亚属的分类地位通过距离法和简约法分析得到较高的支持。 1 1 2 3 组蛋白基因( h i s t o n eg e n e ) 组蛋白是一类与染色体结构的形成和基因表达的调控有关的碱性蛋白质，包括 h 1 、h 2 a 、h 2 b 、h 3 和h 4 等。无脊椎动物的组蛋白基因与核糖体基因较为相似， 例如拷贝数高，重复排列，具有镶嵌结构，并存在协同进化。由于组蛋白基因编码区 序列高度保守，所以能设计出通用引物和探讨高级阶元水平的系统发育：又由于存在 进化速率较快的间隔区，可用来探讨亲缘关系较近的物种间的系统发生关系，所以组 蛋白基因可以用于研究不同阶元水平的系统发生关系( 黄百渠等，2 0 0 0 ；p i o n t k i v s k ae t a 1 ，2 0 0 2 ；d a v i ee t a l ，1 9 9 8 ；b a l d oe t a l ，1 9 9 9 ) 。b a l d oe t a l ( 1 9 9 9 ) 探讨了将一小段包 含h 2 a - h 2 b 基因间隔区的组蛋白基因重复片段用于分子系统学的可能性，通过重建 果蝇的系统发育，结果表明在较短的序列中含有丰富的进化信息，是一段研究分子系 统学的有用的序列。w h i t i n ge t a l ( 2 0 0 3 ) 在研究竹节虫翅的进化时，用组蛋白h 3 基 因3 7 2 b p 片段和1 8 sr d n a 、2 8 sr d n a 构建了多新翅类( p a r a n e o p t e r a ) 昆虫的分子系 统树，表明竹节虫在进化过程中进化成多种多样的无翅的种类，而由无翅种类进化为 有翅种类机率相对较低，并且发生了多次。这些结果提示翅在无翅的竹节虫中的进化 l o 一一一一一一苎二垩堕兰堕生型垄垦皇坌王至竺兰圭塑堕旦墨些璺壁垦皇墨堕堂里塞堂墨 一一 途径是保守的，翅的重新进化对昆虫的多样性可能有目前我们还没认识到的重要作 用。 1 1 2 4 多巴脱羧酶基因( d o p ad e c a r b o x y l a s eg e n e ，d d c ) 昆虫的多巴脱羧酶基因d d c 表达产物位于昆虫的表皮内，与昆虫的多种生理活 动有关，能催化多巴转化为多巴胺。而多巴胺不仅是各种表皮骨质化反应、美拉德反 应的中间代谢物，还是一种神经递质( m a n t z o u r i d i sa n df r a g o u l i s ，1 9 9 8 ；f e r d i ge t 讲， 2 0 0 01 。f a n ge ta l ( 1 9 9 7 ) 首次将d d c 应用于分子系统学研究，在对实夜蛾亚科 r h e l i o 恤i n a e ) 的夜蛾的系统发育研究时发现其系统发育的信息几乎全部来源于同义替 代。而后来他在对基本分歧发生在第三纪早期或白垩纪后期