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内蒙古喜桂图县真猛犸象古DNA研究及真象亚科系统发育分析

杨淑娟  
【摘要】: 现代生物科技的发展为在分子水平上研究古生物提供了新的可能性。古代DNA之所以在过去的几年里迅速发展成为一个崭新的研究领域,在于它作为一种遗传信息的载体能较准确地反映生物结构特征以及生物类群之间的系统发生关系,从而进一步探讨生物的起源和进化、人类演化和迁移、早期农业畜牧业发展、考古学及地质演化等重要问题。古代生物遗迹中的DNA信息还可以用来对古代一些疾病的流行和传播途径进行判断和验证。 本论文重点研究了中国内蒙古喜桂图县真猛犸象化石DNA,希望能利用我国猛犸象材料为一直悬而未决的真象亚科的系统发育分析提供进一步的证据。 关于猛犸象的研究现状 猛犸象属与现生的亚洲象(Elephas)和非洲象(Loxodonta)两个属被划分在真象亚科中,这三个属在上新世早期,大约5百万年前就从脊棱齿象分化形成。上新世末期及更新世早期猛犸象在非洲绝灭,但是在欧亚大陆却依然广泛分布。其中有些种如Mammuthus meridionalis生活在相对较温暖的南方地区,而另外一些种则生活在北纬寒冷地带。真猛犸象Mammuthus primigenius在全北区北部分布较广,特别在古北区欧亚大陆的北部和新北区的加拿大和美国相邻地区均有重要地点记载。在欧洲,真猛犸象在末次冰期时分布于北纬40-70度之间的广大地区;而在亚洲,它的足迹踏入更北的区域,竟达到北纬75度的极地。距今4.5万年前,极地已成为真猛犸象分布的主要中心区域;在距今3.5-4万年前,全球发生了显著的降温事件,北半球气温急剧下降,从而导致自然环境有了很大的变化。真猛犸象一方面从西伯利亚地区向欧洲扩展,另外通过俄罗斯的远东地区向中国东北、朝鲜北部乃至日本北海道迁移。这是极地真猛犸象一次重要的扩散。至少在1.7百万年前猛犸象向东向南迁到北美地区,迅速适应了那里开阔的生境并演化出美洲猛犸象(Mammuthus. columbi),在从亚洲到北美迁移的第二次浪潮中,真猛犸象才迁到了北美。 在我国境内真猛犸象的两次比较集中地向南扩展基本上与末次冰期的两个高峰时期相吻合。一次距今3.5万年前,由于气温急剧下降导致了海平面下降,西伯利亚通过白令陆桥与北美相连,日本北海道通过鞑靼陆桥与大陆相接,此时,渤海湾已成为内陆湖,而黄海部分区域上升为陆地,自然环境变迁给猛犸象洲际性迁移提供了广阔的空间。第二次以距今2.3 万年-1.2万年间为界,这正是末次冰期的极盛期,猛犸象沿着成陆的渤海湾南迁到北纬35度区域。自12000年之后,猛犸象的分布范围开始缩小至西伯利亚北部地区,并于几千年前最后绝灭。 关于猛犸象、亚洲象和非洲象之间的谱系关系一直是备受争议的问题。有人从形态学上 WP=6 认为亚洲象和猛犸象是一个单系类群,而非洲象则是关系较远的一个旁系。但是来自于形态学的证据以及由于化石保存的不完整性并不足以确定象类的谱系关系,蛋白免疫学分析也未能为之提供确凿的证据。近年来关于猛犸象的古DNA研究为此提供了进一步的论证数据,同时也揭示了传统的形态学谱系分析的不足之处。Yang H等 (1996)获取了美洲乳齿象的细胞色素b的228bp基因片段,并以美洲乳齿象为外类群分析得出猛犸象和亚洲象更为接近的结论。Ozawa T (1997)分析了细胞色素b基因的1005bp片段并支持Yang的观点。进而, Greenwood A D 等(1999)分析了猛玛象核基因片段,支持上述的结论。然而,Noro M 等(1998)分析了西伯利亚永久冻土中的长毛猛犸象的细胞色素b和12S rRNA全序列,得出了猛犸象和非洲象而不是亚洲象有着更近的亲缘关系的结论,这和形态学上的特征是相反的。Poulakakis N 等(2002)首次提取了已经绝灭的更新世的侏儒象(Dwarf elephant)细胞色素b的228bp片段,得出了形态学上一致的结论,即Palaeoloxodon 和Elephas的亲缘关系比和 Loxodonta 或者Mammuthus 更为亲近。 古DNA的保存 在存活的有机体中,DNA的损伤可以通过自身的修复机制即行修正,但是在生物死亡之后,修复机制停止作用,DNA也不再受保护。DNA在生物死亡后的降解过程中水解和氧化起主要作用。水解作用可以破坏糖碳骨架上的磷酸二酯键,并且使得胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶并发生脱嘌呤作用,使DNA链易于在此部位断裂。由于受到氧化损伤,古DNA分子中嘧啶大量减少,更易受羟基的攻击,从而发生自发脱嘌呤作用,分子间与分子内发生交联,破坏了DNA分子的链结构。另外DNA还会遭受非酶性的甲基化作用,以及各种生物酶作用而发生降解。 根据Lindahl等实验测得在70℃, pH7.0 条件下DNA衰减速率为4×10-9 bp/s,估计最大可靠限度可达10万年。在不同的环境下保存下来的化石中DNA的年限不同,古DNA的保存情况与温度、pH值、液体离子浓度、湿度有关。只有在特殊的条件下,动植物组织或者其粪便才可以较好地保存下来。古DNA保存较好的标本一般局限于冻土中的样品、[xl1]琥珀、干尸等,如埃及的木乃伊、博物馆馆藏标本等。从沉积环境来讲,湖泊、洞穴沉积物中可以保存较好的材料。 由于DNA的降解,使得古代样本中只含有少量的高度片段化的DNA,其含量水平与正常的生物体相差6个数量级,这些保存下来的短的基因片段也遭受了严重损伤和降解,大小一般仅约50-500bp大小


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