基于线粒体基因及形态特征的竹蝗属和雷篦蝗属系统学研究

论文摘要

竹蝗属（Ceracris Walker）和雷篦蝗属（Rammeacris Willemse）昆虫隶属于直翅目（Orthoptera）蝗总科（Acridoidea）网翅蝗科（Arcypteridae）竹蝗亚科（Ceracrinae）。其主要分布在亚洲,为东洋区的特有成分,在我国主要分布在秦岭—淮河以南地区。竹蝗属（Ceracris Walker）目前记载的有14种（亚种）,其中在我国分布的有12种（亚种）,雷篦蝗属（Rammeacris Willemse）目前记载的有2种,中国仅知黄脊雷篦蝗Rammeacris kiangsu（Tsai,1929）一种,为中国特有种。由于黄脊雷篦蝗是从竹蝗属移入雷篦蝗属,所以两属的系统发育关系一直以来争议不断,同时由于竹蝗属内种间外部形态的差异较大,以及数个多型种的存在,使得竹蝗属内种间的系统发育关系也有颇多争议。本研究首先对竹蝗属14种中的12种和牛瑶博士1个待发表新种以及雷篦蝗属2种中的1种选取58个形态特征构建数据矩阵,然后进行支序分析,构建了MP树和NJ树。其次对15个青脊竹蝗和大青脊竹蝗地理种群雄性标本的14个测量特征进行聚类分析,同时研究了15个地理种群雌雄标本4个测量特征（青脊竹蝗和大青脊竹蝗的主要区别特征）的变化规律。最后采用PCR产物直接测序法测定了两个属7种（包括13个青脊竹蝗和大青脊竹蝗地理种群个体,2个西藏竹蝗短翅亚种个体）蝗虫的线粒体COⅡ基因全序列和两属6种（包括6个青脊竹蝗和大青脊竹蝗地理种群个体）线粒体COⅠ基因全序列,对COⅠ、COⅡ、COⅠ&COⅡ数据集及其子集进行了数据探索研究,在PAUP*4.0b10（PPC）中采用NJ法、MP法、ML法以及在Mrbayes V3.0中的贝叶斯系统发育推论（BI）法对所研究类群进行系统发育关系重建。通过以上形态和分子方面的研究,得出以下结论:一、竹蝗属和雷篦蝗属系统学方面1.雷篦蝗属应并入竹蝗属;2.竹蝗属不是单系群,具体系统发育关系还有赖于更深入的研究;3.传统上划分的短翅类为一个单系群,而长翅类不是单系群;4.大青脊竹蝗的亚种地位不成立;5.西藏竹蝗短翅亚种为青脊竹蝗的一个亚种;6.思茅竹蝗应是黑翅竹蝗的一个亚种。二、线粒体COⅠ基因全序列与COⅡ基因全序列特点方面1.所研究类群的COⅠ基因和COⅡ基因具有昆虫线粒体所具有的高A+T含量,两个基因分别为70.4%,68.8%;从变异位点数目来看,COⅡ基因的数目较COⅠ基因多。2.数据探索研究结果如下:①碱基组成偏向性x2（Chi-square）检验表明COⅠ和COⅡ基因的第三位点在分类单元间存在碱基组成偏向性;②碱基替换饱和性分析发现COⅡ全数据组及密码子各位点碱基替换均未饱和,COⅠ全数据组转换有饱和趋势,密码子第三位点转换已达饱和,第一、二位点碱基替换均未饱和。③PTP检验揭示两个数据集及其子集、联合数据集都含有显著区别于随机信号的系统发育信息。④g1检验显示线粒体COⅡ基因系统发育信号较COⅠ强,联合数据集的检验结果表明线粒体基因联合发育信号得到减弱。⑤ILD检验展示COⅠ和COⅡ基因间存在异质性,说明它们之间不相合。3.采用四种方法对三个数据构建MP、ML、NJ、BI树,比较它们之间的差异,并通过KH和SH检验显示各个数据集4种树的P值均大于0.05,说明这4种树的似然值不存在显著差异,4种树的拓扑结构都能很好的解释该数据。同时COⅠ&COⅡ联合数据集建树解析度并不低于两个单基因建树解析度,进而说明数据间的不相合因素可能在联合建树时彼此消长从而提高了树的稳健性。本研究运用三种系统学研究方法,对竹蝗属和雷篦蝗属昆虫进行了一次较大规模的形态学和基于线粒体基因的分子系统学研究,为解决两属长期以来属间、属内种间、种下单元争议较多的系统学问题提供了形态和分子方面的证据,同时以期在区别竹类害虫方面有所帮助。但由于所取的种类和采取的方法有限,竹蝗属种间更深层次的系统发育关系还有待于更进一步的研究。同时本实验所得序列数据将提交GenBank,与世界昆虫学者共享,进而推动该类群的系统发育方面的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 竹蝗属和雷篦蝗属概况
• 1.2 竹蝗属和雷篦蝗属形态特征
• 1.3 竹蝗属和雷篦蝗属地理分布特点
• 1.4 竹蝗属和雷篦蝗属研究历史简述
• 1.5 竹蝗属和雷篦蝗属系统学研究现状及存在的问题
• 1.6 竹蝗属和雷篦蝗属的研究价值
• 第2章 竹蝗属和雷篦蝗属支序系统学研究
• 2.1 支序系统学概述
• 2.1.1 支序系统学研究方法
• 2.1.2 支序分析在蝗虫系统学研究中的应用
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 结果
• 2.4 竹蝗属及雷篦蝗属系统发育关系讨论
• 第3章 青脊竹蝗和大青脊竹蝗地理种群数值分类学研究
• 3.1 数值分类学概述
• 3.1.1 数值分类学研究方法
• 3.1.2 数值分析在蝗虫种下系统学研究中的应用
• 3.2 试验及结果
• 3.2.1 研究材料
• 3.2.2 聚类分析
• 3.2.3 形态性状测量数据变化规律研究
• 3.3 青脊竹蝗与大青脊竹蝗关系讨论
• 第4章 竹蝗属和雷篦蝗属分子系统学研究
• 4.1 分子系统学概述
• 4.1.1 分子系统学研究方法
• 4.1.2 昆虫线粒体基因组简介
• 4.1.3 线粒体COI基因简介
• 4.1.4 线粒体COII基因简介
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 实验材料、仪器与试剂
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验数据处理和分析
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.3.1 基因组总DNA的提取、PCR扩增及测序
• 4.3.2 实验数据的处理
• 4.3.3 COII基因全序列分析
• 4.3.4 COI基因全序列分析
• 4.3.5 COI&COII联合数据集分析
• 4.4 竹蝗属及雷篦蝗属系统发育分析
• 4.4.1 简约法建树
• 4.4.2 极似然法建树
• 4.4.3 距离法建树
• 4.4.4 贝叶斯法建树
• 4.4.5 不同方法所构建系统树之比较
• 4.5 分析与讨论
• 4.5.1 目标序列的获得
• 4.5.2 所研究类群COII基因全序列和COI基因全序列的分子进化特征
• 4.5.3 关于竹蝗属及雷篦蝗属的系统发育关系
• 4.5.4 COII和COI基因在竹蝗属和雷篦蝗属系统发育关系研究中的有效性
• 第5章 总结
• 5.1 竹蝗属和雷篦蝗属系统学方面
• 5.2 线粒体COI基因全序列与COII基因全序列特点方面
• 参考文献
• 致谢
• 硕士阶段研究成果