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珍珠贝亚目和蚶目DNA条形码与系统发生学研究

冯艳微  
【摘要】:DNA条形码技术作为一种用于物种鉴定的新兴技术正引起广泛的关注。它能弥补传统形态学鉴定的缺陷,推动生物多样性研究的发展。DNA条形码技术自从提出后就在许多动物类群中得到成功应用,但它的推行也引起了许多的争议。DNA序列不仅能用来有效地鉴定物种,而且还能推断物种间的系统发生关系,这就是所谓的分子系统学。分子系统学的发展有助于我们更深刻地理解各物种间的演化关系。珍珠贝亚目是双壳类软体动物中最有经济价值的类群,蚶目中的许多物种也已成为养殖和采捕的主要对象,但目前针对这两大类群的生物多样性以及系统发生学的研究却很少。本研究我们首先验证了DNA条形码技术的可行性,然后将DNA条形码技术用于珍珠贝亚目和蚶目物种的鉴定中,最后用多个分子标记研究了这两大类群的系统发生关系。具体研究结果如下: 1.DNA条形码技术在扇贝科种类鉴定中的应用 我们对扇贝科8个种63个个体的线粒体COI和16S rRNA基因的部分序列进行了测序,其它4个物种的相应序列从GenBank中获得。种间与种内序列的差异分析显示COI种内的遗传距离在0.000到0.020之间,平均为0.0048,种间的遗传距离在0.133到0.344之间,平均为0.284;16S种内的遗传距离在0.000到0.008之间,平均为0.001,种间的遗传距离在0.053到0.309之间,平均为0.231。可见无论是COI还是16S,种间的遗传距离都远远大于种内的遗传距离,存在条形码间隙。基于COI和16S基因的邻接树(NJ)显示所有物种都以较高的支持度形成相互独立的单系群。两者都充分证明了DNA条形码能有效地鉴定这些扇贝科物种。利用贝叶斯分析方法,扇贝科的系统演化关系也在本研究中进行了讨论,得出的结果与基于贝壳微结构和幼虫形态特征研究基础上的Waller的分类系统虽然在亚科与属的水平上有些差异,但基本一致。 2.珍珠贝亚目DNA条形码研究 本研究对珍珠贝亚目75个个体的COI基因和16S rRNA基因进行测序,计算所得序列的K2P遗传距离,并构建了系统发生树,结果显示暂定为Pinctada sp.1和Pinctadasp.2的个体应该为长耳珠母贝,定为Isognomon sp.的两个个体和定为Plicatula sp.的一个个体应分别为细肋钳蛤和简易襞蛤,同定为Spondylus sp.的个体并没有形成一个单系,研究的75个个体应该归属于17个种。17个种的COI和16S rRNA基因种间遗传距离都超过了种内遗传距离,并达到了10×阈值;分子系统树也显示所有的种都构成单系群。这表明DNA条形码技术能对珍珠贝亚目物种进行有效鉴定。此外,通过对COI基因和16S rRNA基因的比较,我们认为COI基因是珍珠贝亚目更适合的DNA条形码标准基因。 3.珍珠贝亚目系统发生学研究 结合Temkin (2010)的数据,使用三个核基因(28S,18S,H3)和1个线粒体基因(16S)重建了珍珠贝亚目的系统发生关系。结果表明,除贻贝超科和蚶超科,其它类群形成了两个支持度很高的分支;第一个分支由珍珠贝超科、牡蛎超科和江珧超科构成,珍珠贝超科与牡蛎超科构成姐妹群,最后再与江珧超科聚为一支;第二个分支由扇贝超科和不等蛤超科构成,扇贝超科内的襞蛤科与不等蛤超科聚为一支,使扇贝超科呈现并系。所有涉及的超科除扇贝超科外,其余都为单系群,Newell (1969)界定的珍珠贝亚目没有呈单系发生。珍珠贝超科内的系统发生关系基本与Temkin (2010)一致,扇贝超科内扇贝科与海菊蛤科互为姐妹群,表明它们的亲缘关系很近;襞蛤科没有与牡蛎超科聚在一起,证明了Waller (1978)将其提升到超科,与牡蛎超科和双肌蛤超科一起归为牡蛎亚目是不恰当的。本研究得到的系统发生结果质疑了目前基于形态学建立的分类系统。 4.蚶目DNA条形码研究 利用基于线粒体COI基因的DNA条形码技术进行蚶目133个个体的鉴定,从Genbank中下载了19条蚶目物种的COI基因同源序列,对这些序列进行变异位点数、单倍型个数和K2P遗传距离等分子多样性指数的计算,并构建了系统树。将形态学和分子数据综合起来考虑,蚶目的133个个体属于24个种。种内个体最大遗传距离为0.155,发生于泥蚶海南文昌群体与其它群体之间;种间最小遗传距离为0.064,发生于毛蚶属胀毛蚶与未知种Scapharca sp.之间。由于泥蚶种内群体间高度的遗传分化,种内个体遗传距离与种间个体的遗传距离发生重叠。然而,构建的NJ树及贝叶斯树显示所有的物种都以较高的支持度形成相互独立的单系群。本研究结果证实了基于COI基因的DNA条形码技术可以有效地鉴定蚶目贝类,还可以显示种内群体间高度的遗传变异、纠正形态鉴定可能导致的错误。 5.蚶目系统发生学研究 本研究利用三个核基因(28S,18S,H3)和2个线粒体基因(COI,12S)进行贝叶斯和最大似然法分析呈现了蚶目的系统发生关系。我们将获得的拓扑结构与传统划分的科、亚科和属以及已发表过的分子学研究一起对比分析。结果证实了蚶目、细饰蚶科、粗饰蚶亚科和细纹蚶亚科的单系性,并支持了蚶蜊科应该被划分到蚶超科。蚶亚科、蚶属、须蚶属、毛蚶属、粗饰蚶属和蚶蜊属没有呈现单系发生,说明了在蚶亚科以及在属的水平上存在大量的分类问题。细饰蚶科、帽蚶科和蚶蜊科没有以蚶科姐妹群的方式出现,而是出现在蚶科内部。本研究有力说明了目前蚶目的分类,尤其是蚶科的分类非常混乱,需要利用形态学、古生物学和分子学数据进行大量校正。 6.粒帽蚶线粒体基因组全序列分析 利用Long-PCR扩增和步移法、鸟枪法测序获得了粒帽蚶的线粒体基因组全序列。粒帽蚶线粒体全长为25845bp,含有36个基因,包括12个蛋白质编码基因(缺少atp8基因)、2个rRNA基因(rrnL和rrnS)和22个tRNA基因。粒帽蚶的COI基因比较特殊,内部插入了一段长651bp的非编码序列,导致COI基因分成了长度为1182bp和414bp的两部分,插入的这段非编码序列的作用以及它如何影响COI基因功能的发挥,还有待进一步深入研究。在粒帽蚶线粒体基因组内存在大量的非编码区,最大的非编码区为6057bp,具有重复序列。粒帽蚶的基因排列顺序和其它翼形亚纲物种相比差别很大。在基于12个蛋白质编码基因的氨基酸序列构建的系统发生树上,粒帽蚶处在靠近根部的位置。


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