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基于mtDNA CO Ⅰ基因的皮蠹科三属的系统发育研究

2014-07-16邓海娟等

江苏农业科学 2014年3期
关键词:遗传位点距离

邓海娟等

摘要:下载整理了NCBI上公布的相关序列,通过mtDNA CO Ⅰ基因620 bp片段序列对皮蠹科斑皮蠹属、皮蠹属、圆皮蠹属3个属共30个分析对象的CO Ⅰ基因序列进行分析并构建分子系统树,结合形态学特征分析这3个属的分子系统发育关系。结果显示,mtDNA CO Ⅰ基因可以作为皮蠹科昆虫生物系统发育分子水平上的依据,为今后深入开展皮蠹科分子系统进化研究奠定一定的理论基础。

关键词:斑皮蠹属;皮蠹属;圆皮蠹属;mtDNA CO Ⅰ基因;遗传距离;分子系统树

中图分类号: Q969.492.503 文献标志码: A 文章编号:1002-1302(2014)03-0023-04

皮蠹科(Dermestidae)隶属于鞘翅目皮蠹总科,包括6亚科34属,约700种,分布在世界各地,我国已知8属约40种,遍布全国各地。该科昆虫多为小型甲虫,生活隐蔽,繁殖力强,食性广,可取食动物尸体、羽毛、水产品、皮张、药材等各种储藏物,是具有重要检疫意义的储藏物害虫[1-2]。昆虫的mtDNA是一种闭合的双链环状遗传物质,稳定性高,大小一般为15.4~16.3 kb,以高拷贝数存在于线粒体内,检测样品无论是完整还是残缺,均可通过测定mtDNA序列进行鉴别[3]。mtDNA进化速率较核DNA更快,且为母系遗传,在遗传过程中不会发生基因重组、倒位、易变等突变,是动物种内不同地理种群间相对保守又有一定变异的序列,即使是亲缘关系很近的类群也存在几个百分比的差异,所以常被用来反映种群遗传变异信息,被广泛应用于不同分类阶元的分子系统学研究[4]。皮蠹科昆虫是十分重要的储藏物害虫,我国口岸多有截获。该科昆虫分类地位一直存在争议,准确进行种类鉴定对检验检疫口岸工作具有重要意义。因此,本研究对皮蠹科下斑皮蠹属(Trogoderma)、皮蠹属(Dermestes)、圆皮蠹属(Anthrenus)3个属共计30个分析对象的CO Ⅰ基因序列进行分析,并构建出不同的分子系统发育树,以期在分子水平对这3个属的系统发育关系进行探讨。

1 材料与方法

1.1 分析对象及序列信息

分析对象共计30个,序列均从GenBank下载,信息见表1。

1.2 DNA序列数据的处理

应用Mega 5.0软件进行序列比对、拼接和剪切。将比对结果进行序列组成分析,基于Kimura 2-parameter模型计算各分类单元之间的遗传距离及其标准差、序列碱基组成、保守位点、变异位点、转换/颠换比值等[5]。应用Mega 5.0软件,使用邻接法(NJ)、最大简约法(MP)和最大似然法(ML)分别构建分子系统树,1 000次循环估计系统树中节点的自举置信水平,碱基转换和颠换赋予相同的加权值。

2 结果与分析

2.1 mtDNA CO Ⅰ基因序列组成和变异

应用Mega 5.0软件对30个分析对象的CO Ⅰ基因序列进行比对剪裁,得到620 bp大小的的序列片段进行分析。所有分析对象的CO Ⅰ基因的620个位点中没有插入、缺失现象,其中共有104个保守位点,502个变异位点,265个简约信息位点,保守位点占16.77%,变异位点占80.97%,简约信息位点占42.74%。A、T、C、G的平均含量分别为32.3%、317%、22.1%、13.9%,A+T含量较高,为64.0%。第3位点的A+T含量最高,达到73.9%;G的含量最低,平均为40%,在不同种间差异也较大(1.1%~13.6%);A的含量最高,达到47.9%,这表明密码子的碱基使用频率存在明显的偏向性,与典型的昆虫线粒体DNA碱基组成一致[6]。

2.2 碱基替换分析

采用Mega 5.0软件对分析对象CO Ⅰ基因序列的替换数进行分析,由结果看出,分析对象 CO Ⅰ基因620个核苷酸序列中,核苷酸替换主要发生在密码子第3位点上,全体转换/颠换(R)为20.7。

2.3 遗传距离分析

采用Mega 5.0,基于Kimura 2-param eter模型对分析对象(包括外群)之间的遗传距离进行分析,并采用Bootstrap重抽样1 000次进行检验,结果见表2。由表2可知,总体平均遗传距离为1.017,属间遗传距离介于0.466~0.784之间,各种之间遗传距离介于0~0.875之间,与外群之间的遗传距离较大,为8.176~8.889,说明皮蠹科3个属之间的亲缘关系相对于外群更接近,且基于CO Ⅰ基因3个属间可得到有效区分。

2.4 皮蠹科系统发育树构建

以对粒材小蠹为外群,利用Mega 50系统发育分析软件对分析对象mtDNA CO Ⅰ序列进行NJ、MP、ML系统发育树构建(图1、图2、图3)。

由构建的NJ树(图1)来看,属于圆皮蠹属中的小圆皮蠹编号为3、4、6的3个对象位于系统树的一支;圆皮蠹属中的地毯圆皮蠹独立位于系统树的另一支;斑皮蠹属、皮蠹属的样品聚合成另一支,形成3大分支格局。从基因序列数据可以看出,圆皮蠹属中的地毯圆皮蠹和小圆皮蠹样品之间的遗传距离为0.737,皮蠹属中的秘鲁皮蠹与斑皮蠹属各样品之间的最小遗传距离为0.466,与圆皮蠹属各样品之间的最小遗传距离为0.784。圆皮蠹属与斑皮蠹属各样品之间的平均遗传距离为0.59~0.773。以上结果表明,秘鲁皮蠹与斑皮蠹属各样品之间的遗传距离较近,与圆皮蠹属各样品之间的遗传距离相对较远,这与NJ树构建结果相同,符合NJ树构建规律。

由构建的MP、ML树(图2、图3)可以发现,30个分析对象构建的MP、ML系统发育树表现出一致的格局,在这2个树中,斑皮蠹属、皮蠹属样品、圆皮蠹属的小圆皮蠹样品聚在一起,圆皮蠹属的地毯圆皮蠹单独聚在另一支。圆皮蠹属位于系统发育树的最外缘,斑皮蠹属的谷斑皮蠹进化速率最快。

从前面的分析来看,昆虫的密码子表现出明显的A+T的含量偏向性,特别是在密码子第3位,A+T含量很高,该位点的转换较频繁,并且碱基的替换也主要发生在第3位点上,但第3位点的转换虽频繁,却很少会引起氨基酸的改变,因此将线粒体DNA CO Ⅰ全序列翻译成氨基酸序列进行2次建树。

在氨基酸序列NJ系统发育树中,斑皮蠹属、皮蠹属、圆皮蠹属分别聚为一支,明显好于直接用CO Ⅰ序列构建的系统树。将各发育树进行比较发现结果基本一致,圆皮蠹属均聚于最外缘(图4)。

3 结论与讨论

本研究通过下载整理皮蠹科30个分析对象的mtDNA CO Ⅰ序列并构建了不同分子系统发育树,其结果在一定程度上反映了各属之间的进化关系与亲缘关系,秘鲁皮蠹与斑皮蠹属各分析对象之间的遗传距离较近,与圆皮蠹属的遗传距离相对较远,斑皮蠹属较圆皮蠹属进化速率快。当利用CO Ⅰ基因建树后结果不很理想时,可将mtDNA中CO Ⅰ全序列翻译成氨基酸序列进行2次建树再次分析,以达到较好结果。另外,从形态学来看,地毯圆皮蠹复眼内缘凹入,鞘翅具3条狭窄的白色横带,翅上以黑色鳞片居多,沿翅缝两侧尚有红色鳞片形成的纵带。而小圆皮蠹复眼内缘不凹入,鞘翅上有3条由黄色及白色鳞片构成的波状横带,体背面密生长三角形端部钝的鳞片,二者虽同属,却差别明显,系统进化树同样也验证了这点,两者的遗传距离为0.737(>0.02),达到分子水平不同种的鉴定要求。

目前,NCBI上公布的皮蠹科昆虫mtDNA CO Ⅰ基因较少,虽然本研究涉及的皮蠹种类不多,但其研究结果在一定程度上说明了mtDNA CO Ⅰ基因作为遗传标记应用于皮蠹科系统分类研究是可行的方法之一。在下一步的研究中可增加标本的数量,以增强分类单元的代表性,通过研究mtDNA CO Ⅰ基因全序列以及其他分子标记基因,使其包含更多的信息量,为皮蠹科不同阶元的分类提供更多的分子生物学证据。

参考文献:

[1]张生芳,陈洪俊,薛光华. 储藏物甲虫彩色图鉴[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,2008:20.

[2]张生芳,刘永平,武增强. 中国储藏物甲虫[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,1998:100-101.

[3]刘 聪,蒋 湘,班丽萍. 斑皮蠹属害虫鉴别方法研究进展[J]. 植物检疫,2012,26(4):60-64.

[4]王银竹,余道坚,张润杰,等. 基于mtDNA CO Ⅰ基因的十种长小蠹分子系统进化研究[J]. 昆虫学报,2010,53(4):457-463.

[5]Tamura K,Peterson D,Peterson N,et al. Mega5:molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood,evolutionary distance,and maximum parsimony methods[J]. Molecular Biology and Evolution,2011,28(10):2731-2739.

[6]Liu H,Beckenbach A T.Evolution of mitochondrial cytochrome oxidase Ⅱ gene among the orders of insects[J]. Mol Phylogene Evol,1992,1(1):41-52.

从前面的分析来看,昆虫的密码子表现出明显的A+T的含量偏向性,特别是在密码子第3位,A+T含量很高,该位点的转换较频繁,并且碱基的替换也主要发生在第3位点上,但第3位点的转换虽频繁,却很少会引起氨基酸的改变,因此将线粒体DNA CO Ⅰ全序列翻译成氨基酸序列进行2次建树。

在氨基酸序列NJ系统发育树中,斑皮蠹属、皮蠹属、圆皮蠹属分别聚为一支,明显好于直接用CO Ⅰ序列构建的系统树。将各发育树进行比较发现结果基本一致,圆皮蠹属均聚于最外缘(图4)。

3 结论与讨论

本研究通过下载整理皮蠹科30个分析对象的mtDNA CO Ⅰ序列并构建了不同分子系统发育树,其结果在一定程度上反映了各属之间的进化关系与亲缘关系,秘鲁皮蠹与斑皮蠹属各分析对象之间的遗传距离较近,与圆皮蠹属的遗传距离相对较远,斑皮蠹属较圆皮蠹属进化速率快。当利用CO Ⅰ基因建树后结果不很理想时,可将mtDNA中CO Ⅰ全序列翻译成氨基酸序列进行2次建树再次分析,以达到较好结果。另外,从形态学来看,地毯圆皮蠹复眼内缘凹入,鞘翅具3条狭窄的白色横带,翅上以黑色鳞片居多,沿翅缝两侧尚有红色鳞片形成的纵带。而小圆皮蠹复眼内缘不凹入,鞘翅上有3条由黄色及白色鳞片构成的波状横带,体背面密生长三角形端部钝的鳞片,二者虽同属,却差别明显,系统进化树同样也验证了这点,两者的遗传距离为0.737(>0.02),达到分子水平不同种的鉴定要求。

目前,NCBI上公布的皮蠹科昆虫mtDNA CO Ⅰ基因较少,虽然本研究涉及的皮蠹种类不多,但其研究结果在一定程度上说明了mtDNA CO Ⅰ基因作为遗传标记应用于皮蠹科系统分类研究是可行的方法之一。在下一步的研究中可增加标本的数量,以增强分类单元的代表性,通过研究mtDNA CO Ⅰ基因全序列以及其他分子标记基因,使其包含更多的信息量,为皮蠹科不同阶元的分类提供更多的分子生物学证据。

参考文献:

[1]张生芳,陈洪俊,薛光华. 储藏物甲虫彩色图鉴[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,2008:20.

[2]张生芳,刘永平,武增强. 中国储藏物甲虫[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,1998:100-101.

[3]刘 聪,蒋 湘,班丽萍. 斑皮蠹属害虫鉴别方法研究进展[J]. 植物检疫,2012,26(4):60-64.

[4]王银竹,余道坚,张润杰,等. 基于mtDNA CO Ⅰ基因的十种长小蠹分子系统进化研究[J]. 昆虫学报,2010,53(4):457-463.

[5]Tamura K,Peterson D,Peterson N,et al. Mega5:molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood,evolutionary distance,and maximum parsimony methods[J]. Molecular Biology and Evolution,2011,28(10):2731-2739.

[6]Liu H,Beckenbach A T.Evolution of mitochondrial cytochrome oxidase Ⅱ gene among the orders of insects[J]. Mol Phylogene Evol,1992,1(1):41-52.

从前面的分析来看,昆虫的密码子表现出明显的A+T的含量偏向性,特别是在密码子第3位,A+T含量很高,该位点的转换较频繁,并且碱基的替换也主要发生在第3位点上,但第3位点的转换虽频繁,却很少会引起氨基酸的改变,因此将线粒体DNA CO Ⅰ全序列翻译成氨基酸序列进行2次建树。

在氨基酸序列NJ系统发育树中,斑皮蠹属、皮蠹属、圆皮蠹属分别聚为一支,明显好于直接用CO Ⅰ序列构建的系统树。将各发育树进行比较发现结果基本一致,圆皮蠹属均聚于最外缘(图4)。

3 结论与讨论

本研究通过下载整理皮蠹科30个分析对象的mtDNA CO Ⅰ序列并构建了不同分子系统发育树,其结果在一定程度上反映了各属之间的进化关系与亲缘关系,秘鲁皮蠹与斑皮蠹属各分析对象之间的遗传距离较近,与圆皮蠹属的遗传距离相对较远,斑皮蠹属较圆皮蠹属进化速率快。当利用CO Ⅰ基因建树后结果不很理想时,可将mtDNA中CO Ⅰ全序列翻译成氨基酸序列进行2次建树再次分析,以达到较好结果。另外,从形态学来看,地毯圆皮蠹复眼内缘凹入,鞘翅具3条狭窄的白色横带,翅上以黑色鳞片居多,沿翅缝两侧尚有红色鳞片形成的纵带。而小圆皮蠹复眼内缘不凹入,鞘翅上有3条由黄色及白色鳞片构成的波状横带,体背面密生长三角形端部钝的鳞片,二者虽同属,却差别明显,系统进化树同样也验证了这点,两者的遗传距离为0.737(>0.02),达到分子水平不同种的鉴定要求。

目前,NCBI上公布的皮蠹科昆虫mtDNA CO Ⅰ基因较少,虽然本研究涉及的皮蠹种类不多,但其研究结果在一定程度上说明了mtDNA CO Ⅰ基因作为遗传标记应用于皮蠹科系统分类研究是可行的方法之一。在下一步的研究中可增加标本的数量,以增强分类单元的代表性,通过研究mtDNA CO Ⅰ基因全序列以及其他分子标记基因,使其包含更多的信息量,为皮蠹科不同阶元的分类提供更多的分子生物学证据。

参考文献:

[1]张生芳,陈洪俊,薛光华. 储藏物甲虫彩色图鉴[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,2008:20.

[2]张生芳,刘永平,武增强. 中国储藏物甲虫[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,1998:100-101.

[3]刘 聪,蒋 湘,班丽萍. 斑皮蠹属害虫鉴别方法研究进展[J]. 植物检疫,2012,26(4):60-64.

[4]王银竹,余道坚,张润杰,等. 基于mtDNA CO Ⅰ基因的十种长小蠹分子系统进化研究[J]. 昆虫学报,2010,53(4):457-463.

[5]Tamura K,Peterson D,Peterson N,et al. Mega5:molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood,evolutionary distance,and maximum parsimony methods[J]. Molecular Biology and Evolution,2011,28(10):2731-2739.

[6]Liu H,Beckenbach A T.Evolution of mitochondrial cytochrome oxidase Ⅱ gene among the orders of insects[J]. Mol Phylogene Evol,1992,1(1):41-52.

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