基于线粒体ND5基因的昆虫分子系统学研究进展_智妍

收稿日期:2007-11-15

基金项目:辽宁省教育厅高等学校科学研究项目(A)(05L416)

作者简介:智 妍(1983-),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学硕士研究生;张春田(1964-),男,辽宁沈阳人,沈阳师范大学教授,博士,硕士研究生导师 第26卷 第3期

2008年7月沈阳师范大学学报(自然科学版)Jour nal of S heny ang N or mal Univer sity (N atur al Science)Vol 26,No.3Jul.2008文章编号:1673-5862(2008)03-0347-04

基于线粒体N D5基因的

昆虫分子系统学研究进展

智 妍,葛振萍,张春田

(沈阳师范大学生物多样性和进化实验室,辽宁沈阳 110034)

摘 要:ND5基因位于mtDNA 上,其进化速率较快,是昆虫分子系统学研究中理想的分子标

记之一 目前,已经利用该基因从各个分类水平对昆虫系统发育关系、物种形成与分化、种群遗传

与变异及生物地理等方面做了广泛的研究 对ND5基因的分子特点及其在昆虫系统学研究中的

应用进行综述

关 键 词:ND5基因;mtDN A;分子系统学;昆虫

中图分类号:Q 969.2 文献标识码:A

0 引 言

分子系统学是近30年发展起来的一门综合性前沿学科,随着PCR 技术的产生及发展,将分子生物学中的理论、方法运用到昆虫系统学研究已成为一个热点 分子系统学是指通过对生物大分子(蛋白质、核酸等)的结构、功能等的进化研究,来阐明生物各类群间的谱系发生关系[1] 其研究的主要内容包括群体遗传结构(Population genetic structure)、分类学(Taxonomy )、系统发育(Phylog eny )和分子进化(Molecular evolution )[2] 目前研究的主要方法有核酸序列分析、RFLP 、分子杂交技术、RAPD 、SSCP 和DSCP 等方法[3],它是分子生物学与系统学相结合产生的交叉学科,基于对各种生物分子水平上的比较建立分子进化树,探讨动物的系统进化关系[4]

,它的出现摆脱了过去主要依靠外部形态进行系统学研究的不足,极大地丰富了昆虫学研究的方法和内容[5]

近年来利用各种分子生物学技术对昆虫线粒体DNA(mtDNA)的研究越来越多 由于mtDNA 结构和进化上的特点,它己成为研究进化的重要的分子标记[6] 通过m tDNA 的研究,揭示昆虫各类群的系统发生关系 该文在查阅线粒体ND5基因研究的文献基础上,综述其在昆虫分子系统学领域的研究进展如下 1 N D5基因的特点及应用

1.1 N D5基因的特点

ND5基因位于mtDNA 上,线粒体是一种具有半自主性的细胞器,它有自身独特的遗传系统[7] 昆虫线粒体DNA 广泛存在于昆虫体内富含线粒体的飞行肌中和卵内,它是共价闭合的双链(H 链和L 链),超螺旋环状分子,分子大小为15.14~16.13kb,包含2个核糖体RNA (rRNA),22个转运RNA (tRNA)和13个编码蛋白质的基因以及包括复制起点的一个非编码区[8-9]

mtDNA 不同区段基因序列的进化速率不一样[10],因此,选取mtDNA 上的不同基因或片段序列,可以进行不同分类水平上的进化研究 对于亲缘关系较远的物种,一般选取选择压力大、比较保守的基因序列;对于亲缘关系较近的物种,则选取选择压力小、进化较快的基因序列

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在NADH氧化还原酶基因中,ND5基因进化速度相当快,是作为相关种群系统发育研究最有用的基因之一[11] ND5基因是mtDNA中最大的编码基因,在动物线粒体中编码520~640个氨基酸, mtDNA具有较高的内外诱变因素,其较高的错误复制和不完善的修复机制,可以提高mtDNA突变速率,一般认为其具有比核DNA高几倍的进化速率[12],正因为如此,ND5成为相关种群系统发育研究最有用的基因之一

1.2 N D5基因的应用

1.2.1 昆虫系统发育重建

目前昆虫中利用ND5基因的系统发育研究主要涉及鞘翅目、鳞翅目、双翅目等经济意义巨大的类群,其他昆虫目报道不多

鞘翅目是昆虫纲种类最多和分布最广的一个大目 许多种类是农林牧业和动植物及其仓储产品的害虫,捕食性种类是害虫的天敌,与人类的经济利益关系十分密切[13] 利用ND5基因对鞘翅目昆虫的研究主要包括物种形成与分化,生物进化,种群遗传等方面 Su等[14]建立鞘翅目步甲科的系统树,分成6个族:日本的Ohomop terus属;欧亚大陆东部的Isiocar abus属;中国的Sublineages属;美国的Car abus属;欧亚大陆,日本和北美的Car abus属;欧亚大陆的Eucarabus属 Okamoto M等[15]对66个采自智利各地的Ceroglossus的种类建立系统树,该树显示Ceroglossus由4个种团组成,在2.5~3亿年前发生分歧,结果与Jiroux(1996)提出的形态分类结果一致 Kim CG等[16]对日本Lep tocarabus进行序列分析并建立系统树,包括5个形态学分类种,系统树分为2个种团,每个种团又分为2个或更多的亚种团

双翅目在自然界中占有非常重要的地位,对人类生存环境的保护和改善具有特殊的意义[17] 本目个体和种类数量多,与人类的关系极为密切,有些种类无法用传统方法区分,利用ND5基因可以很好的建立系统发育树 Krzyw inski J等[18]用Cytb基因和ND5基因以及28S核糖体的D2区基因重建蚊科按蚊亚科的系统发育树,分析表明,按蚊科是一个单系,Chagasia位于基部,A nopheles和Bironella是Anop heles的2个亚属 此外,亚属Ny ssorhy nchus和Kerteszia也被认为是单系 Krzyw inski J等[19]经过进一步的研究,大部分推断都支持上述的研究:Nyssor hy nchus亚属和K er tesz ia亚属是姐妹群 目前的数据和其他证据表明Anophelinae大概在中生代产于南美

鳞翅目昆虫包括蛾类和蝶类,其许多幼虫是农林重要害虫,蝶类成虫是传粉昆虫和观赏昆虫,有着巨大的经济意义,所以对该目昆虫的系统发育研究也较多 Yagi等[20]对日本凤蝶ND5基因的783个核苷酸序列做了系统关系比对分析,以弄蝶总科的几个种作为外群,凤蝶总科的代表种和其他科形成鲜明的集群;以蛱蝶科为外群,绢蝶科形成一族 在凤蝶科,T roidini和Graphiini形成一亚分支,Papilionini为另一亚分支 Yag i等[20]还对绢蝶属(Par nassius glacialis和Par nassius stubbendorf ii)与虎凤蝶属的(L uehdorf ia p uz iloi、Ser icinus montela和L uehdorf ia j ap onica)以及凤蝶科其他种,用ND5基因的部分片段测序,系统发育树显示,形态上本应聚在一起的Parnassiini族Zerynthiini族发生了明显的分歧 Nazari V[21]等重建凤蝶Parnassiinae亚科的系统关系 多重分子数据分析都生成一棵拓扑树,该树不同于单独由形态获得的,基于分子证据,认为H yper m nestra属和Par nassius属是姐妹群,A rchon和L uehdorf ia是姐妹群 Omoto K等[22]对阿波罗蝴蝶近50个个体以及绢蝶亚科其他属的7个个体的ND5基因的部分片段做了测序,系统发生树显示:阿波罗蝴蝶是一个单系,并且明显地被分为8个族,在这8个族中,有些在形态和行为上明显不同的种或亚种聚表现了很近的亲缘关系,这与传统的分类产生了分歧 H abuser[23]曾严格地分析Hyp er mnestr a属在凤蝶科中的分类地位,他指出这个属形态上明显地不同于绢蝶亚科其他的属,可能在分类上不应归于绢蝶亚科 Makita等[24]将ND5应用于虎凤蝶属(Luehdorf ia)的种间研究,结果显示,L uehdorf ia的种和外群蝴蝶种间ND5基因差异较大,同属种间ND5基因差异相对要小

1.2.2 昆虫起源与进化研究

通过对ND5基因核苷酸序列组成和变异的分析,基于其序列特点及进化速率等特征,人们还对昆虫起源、进化的趋势进行了推测和估计,为进一步阐明昆虫不同类群的进化关系提供了重要依据 曹广力等[25]对中国山东青州野桑蚕mtDNA的ND5基因及两端侧翼区域进行了克隆和序列分析,结果显示

蚕类线粒体基因排列的保守性,证明家蚕原于中国的野桑蚕 Su [26]等基于ND5基因对于步甲的形态多样性及进化史进行分析,发现很多例子表明同样的种在地理隔离后很长时间后基本形态上保持不变,因此可以推断,步甲的进化历程是不连续的

1.2.3 生物地理研究

利用ND5基因,人们还对昆虫的地理分布、隔离、扩散及种群分化等生物地理关系进行了广泛的研究 叶维萍等[27]对分布于中国的飞蝗L ocusta migrator ia L.3亚种的线粒体12S rDNA(487bp)和ND5(451bp)基因的部分序列进行测定,与非洲飞蝗亚种进行序列比较,并在此基础上对ND5基因,以斑腿蝗科瘤喉蝗Parap odisma m ikado 为外群,重建M P 树,结果显示,亚洲飞蝗和东亚飞蝗序列相似度高,非洲飞蝗和西藏飞蝗相似度高;大陆漂移和青藏高原隆起的特殊地质事件,正好解释了非洲飞蝗和西藏飞蝗的相似性,支持西藏飞蝗为单独1亚种,与非洲飞蝗为同一起源地,与其他2亚种相区别 Tom inaga 等[28]基于线粒体ND5基因的比对以及日本岛的地质历史学对鞘翅目步甲科的系统发育进行研究,结果显示每个种都属于Carabina 亚族,在日本岛建立目前的栖息地,大致可分为两类:一类起源于欧亚大陆分离时栖息在日本本岛的,另一类是通过陆地连接桥从欧洲大陆入侵到北海道 Kim [11]

认为日本L ep tocar abus 的一种形态转变为另一种发生在平行进化的各个时期 从进化树和核苷酸替换率和地理历史数据推测所有日本Lep tocarabus 的祖先都来自日本岛上L.ky ushuensis,日本岛从欧亚大陆之后,形成两个种团 然后在一些种团发生形态转变的过程中,它们独立分布并占据自己的栖息范围

1.2.4 应用研究

随着研究的深入,昆虫分子系统学已经与昆虫学的其他应用学科紧密结合起来,如生物防治、法医昆虫学等 叶军等[29]通过对从秘鲁进口的葡萄中截获实蝇类幼虫进行ITS 区和线粒体CO 、CO 、CO 、ND5基因序列的扩增和测序,并与GenBank 中对应的序列进行比对,之后将截获的实蝇类幼虫鉴定为地中海实蝇Cer atitis cap itata 2 N D5基因在昆虫分子系统学应用中存在的问题

ND5基因在昆虫分子系统学的应用中还存在以下几个问题:

1)不同基因在解决不同分类单元的系统发育关系时的应用范围是有区别的,何时选择ND5基因于所研究分类阶元是一项困难的工作

2)基因组成结构变化:同源基因的结构在不同分类单元之间有变异

3)在研究中,很多学者利用ND5基因,同时联合其他线粒体基因、核基因以及形态学数据进行综合分析[30] 要反映整个基因组所包含的信息,到底需要多长的位点,究竟是采用一个基因的更多碱基还是采用较少碱基的多个基因,与什么基因、几个基因联合等问题仍有待进一步的研究考证

3 结 语

线粒体ND5基因目前已经成为昆虫系统学研究中很重要的分子标记之一,有关昆虫系统学的大量研究工作还在进行中 随着分子生物学知识和技术的积累发展,系统学家已将生物信息大分子看作重要的演化依据,人们在不断寻找新的、有良好检测功能的分子标记及检测手段,随着技术的不断进步,来自分子方法的资料在将来可能成为系统学研究最主要的数据来源,深入探讨各类群的分类地位和系统发育关系,条形码快速鉴定物种,并与外来物种入侵、生物防治、法医昆虫学等学科紧密联系,影响人类生活,维护自然生态系统平衡

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349第3期 智 妍等:基于线粒体N D5基因的昆虫分子系统学研究进展

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ZHI Yan,GE Zhen-p ing,Z H ANG Chun-tian

(Laboratory of Biodiversity and Evolution,Shenyang Normal University,Shenyang110034,China)

Abstract:N D5g ene is locating on the mitochondrial DNA(mtDN A),is an ideal molecular marker in study mo lecular phylogeny of insects,and has a fast evolutionar y r ate.Pr esently,lar ge of studies on insect phy logenetic relat ionships,speciation and specialization,populations inheritance and var iat ion,biogeogr aphy,etc.have been done based on t his g ene.T he paper summarizes the molecular characteristics of ND5gene and its applicatio n in molecular phylog eny of insects.

Key words:ND5gene;mtDN A;molecular phylogeny;insects