瓢虫科部分种类基于线粒体COI基因的系统发育与食性演化研究

摘要

瓢虫科(Coccinellidae)隶属于鞘翅目(Coleoptera)、多食亚目(Polyphaga)、扁甲总科(Cucujoidea)，是一类重要的经济昆虫。瓢虫科分为植食性、捕食性和菌食性三大类群。捕食性种类以蚜虫、介壳虫及其它节肢动物为食，是重要的害虫天敌；植食性种类中有很多已成为重要的农业害虫。由于可供比较的形态性状的有限性以及协同进化的存在，对于瓢虫科高级阶元的分类体系，目前还存在较大的争议，所产生的问题都是传统形态学方法难以解决的。瓢虫的演化与其食性有密切的关系，食性在瓢虫的迁徙和基因流动起决定性作用，并在瓢虫各类群中影响物种形成的机制，而食性又和生产实践密切相关。因此，关于瓢虫食性的研究对其分类系统的建立具有重要意义。分子生物学技术促进了昆虫分子系统学的兴起和发展，但目前国内外对瓢虫科昆虫的分子系统学研究远远落后于其它生物类群。 昆虫mtDNA序列是研究系统发育较好的分子标记，COI基因属于mtDNA中的慢进化基因，由于其分布的普遍性、序列和结构的相对保守性而被广泛应用于不同分类阶元上的分子系统学研究。本研究采用PCR产物直接测序法测定了瓢虫科4亚科13属19种昆虫COI基因长为471 bp的片段，联合从GenBank中下载的11种瓢虫及外群嵩金叶甲的同源序列，利用ClustalX1.83进行序列比对。MEGA3.1进行序列组成统计。PAUP<'*>4.0b10(PPC)中对数据集系统发育信号进行评估，并以NJ、MP、ML三种建树方法分别重建系统发生树。在MrBayesV3.0B4中进行了贝叶斯系统分析。并将瓢虫科不同种的食性对应到分子系统树上。从分子水平上对瓢虫科部分种类的系统发育和食性演化进行了探讨，最后得到的结论如下： 1.本研究得到30种瓢虫科昆虫长为471bp的COI基因片段，其序列组成分析显示典型的高AT含量(66.7％)。转换的发生以T→C，C→T为主，颠换的发生以A→T，T→A为主，且大都发生在密码子第三位。氨基酸序列由19种氨基酸组成，Ile、Leu、Ser、Thr、Asp的出现较多，Cys在所有种间都未出现。 2.30种瓢虫COI基因碱基转换与颠换之比R值为0.868。替换饱和性分析显示转换有饱和的趋势，颠换饱和程度不明显。R值呈现出了昆虫线粒体DNA的典型的距离依赖性。对数据组分别进行树长分布分析和PTP检验，两者均显示数据组包含较强的系统发育信号。 3．本研究采用NJ，MP，ML和BI法分别重建了瓢虫科30种昆虫的系统发生关系，ML法和BI法的树的拓扑结构完全一致，NJ法和MP法与之相比存在一定差别。采用基于似然值的KH和SH检验比较了这四棵系统树，结果认为ML树的似然值(-Ln L)最小，但它们的似然值差异没有达到统计学显著性，所以认为这四种拓扑结构的系统树都很好的解释了该数据集。四种方法没有达到一致的结果，说明该数据集在解决这30个种的系统发生关系上提供的信息还是不够的。 4．四种方法合一树显示：同属同种的瓢虫均以较高的置信值聚在一起：庞氏系统中瓢虫科的4个亚科瓢虫亚科、盔唇瓢虫亚科、小毛瓢虫亚科和食植瓢虫亚科都能恢复成单系：食植瓢虫亚科从系统树的基部最早分出，是瓢虫科最为原始的类群：小毛瓢虫亚科和盔唇瓢虫亚科首先聚为一支，显示二者具有较近的亲缘关系，然后再与瓢虫亚科相聚：食植瓢虫亚科的食植瓢虫属和裂臀瓢虫属均不是单系群。 5．从食性演化的角度来看，系统树形成两个分支：植食性瓢虫聚在一起形成系统树基部的第一个分支：捕食性瓢虫和菌食性瓢虫聚在一起形成了第二个分支，在第二个分支内部，相同食性的瓢虫各自聚在一起，其中食蚜类与食菌类瓢虫聚为一支，显示二者具有较近的亲缘关系，食蚧类与食螨类聚为一支，显示二者亲缘关系较近。无论从幼虫形态还是食性来看，植食性瓢虫都是瓢虫科最原始的类群，有可能最早从叶甲类昆虫进化而来。但捕食性瓢虫很早便分化出来，食性有了进一步的分化。稻红瓢虫和异色瓢虫与其它的食蚜类瓢虫聚在一起，显示它们食性的改变为食性的暂时转移。 6．COI基因序列片断并不能完全解决瓢虫科30个种的系统关系问题。一方面可能是因为分类单元的取样未能从瓢虫科分类秩序的全局出发，所选种类未能充分包括形态差异比较大的较低分类单元的种类。另一方面可能是单个基因的部分片断解决系统发育关系的能力不足，增加序列长度或测定其它线粒体基因序列进行联合分析可能更有助于解决瓢虫科内部的系统关系问题。 本研究对瓢虫科19种昆虫COI基因部分序列的测定是科学上首次对中国瓢虫科昆虫进行的较大规模的线粒体基因序列分析，通过向GenBank提交所测瓢虫基因序列，与世界昆虫学界共享序列数据。通过后续分析，探讨了瓢虫科内的系统发育关系与食性演化，为建立瓢虫科正确的系统发育关系及瓢虫的有效保护、利用与防治提供分子生物学方面的证据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一部分引言

1瓢虫科研究现状

1.1瓢虫科的分类地位及形态特征

1.2瓢虫科的分类系统研究

1.3瓢虫科系统学研究现状

1.4鞘翅目瓢虫科的化石资料

1.5瓢虫科的食性特征

2昆虫线粒体基因组和COI基因

2.1昆虫线粒体基因组特征

2.2线粒体DNA在昆虫系统学中的应用

2.3 COI基因特点及其在昆虫系统学研究中的应用

3分子系统学概述

3.1分子系统学定义

3.2分子系统学研究方法

4系统发育树的构建方法

4.1距离矩阵法

4.2简约性方法

4.3最大似然法

4.4贝叶斯推论法

5数据组系统发育信号评估和进化树可靠性与置信度检验

5.1数据组系统发育信号检验

5.2进化树分支可靠性和置信度的检验

5.3似然率检验(LRT)

6分子特征和形态特征的比较

7本研究的目的和意义

第二部分实验材料与方法

1实验材料

1.1标本的采集、鉴定与保存

1.2仪器和试剂

2实验方法

2.1总DNA提取

2.2基因组DNA的检测

2.3 PCR扩增线粒体DNA COI基因片段

2.4目的片段序列的测定

3实验数据处理和分析

3.1序列编辑

3.2序列比对

3.3序列组成分析

3.4数据组信号检测

3.5系统树构建和外群的选择

3.6瓢虫科食性特征与系统树的对应

第三部分结果分析

1基因组总DNA的提取、PCR扩增及序列的测定

1.1基因组总DNA提取

1.2 PCR扩增结果

1.3 PCR产物测序

2实验数据处理和分析

2.1序列编辑和序列比对结果

2.2数据集序列分析

2.3瓢虫科昆虫不同种间的遗传距离

2.4碱基组成偏向性检验

2.5数据组系统发育信号检验

2.6系统树构建

2.7瓢虫科食性特征与系统树的对应

3分析与讨论

3.1目标序列的获得

3.2 COI基因编码区部分片段的序列组成和分子进化特征

3.3 COI基因序列数据系统发育信号评估

3.4各种建树方法的讨论

3.5瓢虫科部分种类的系统发生关系的探讨

3.6瓢虫科不同食性类群的演化探讨

3.7 COI基因对于构建瓢虫科系统树的适用性讨论

第四部分总结

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间的研究成果