異齒亞綱貝類DNA條形碼與系統(tǒng)發(fā)生學(xué)研究.pdf

1、異齒亞綱(Heterodonta)隸屬于雙殼綱軟體動(dòng)物門(mén),種類繁多,現(xiàn)存約2600種,分布于簾蛤目(Veneroida)和海螂目(Myoida)兩大目,是雙殼貝類中種類最為豐富、分布最為廣泛的一個(gè)亞綱。異齒亞綱貝類外部形變化大,貝殼形式多種多樣,具有極其豐富的生物多樣性。和其他軟體動(dòng)物門(mén)類一樣,異齒亞綱貝類傳統(tǒng)分類學(xué)建立的重要依據(jù)是貝殼的表觀特征(大小、質(zhì)地、殼型、鉸合部、鉸合齒、內(nèi)外韌帶、殼表二級(jí)結(jié)構(gòu)等)、成體軟體部的組織和器官的解剖

2、結(jié)構(gòu)(閉殼肌的數(shù)目和形狀、鰓的結(jié)構(gòu)、外套竇、外套線、接合線、水管觸手的形態(tài)與分布等)以及生態(tài)學(xué)特征(食性、棲息環(huán)境等)。然而,這些分類特征不但多樣性程度高而且可塑性極大,因?yàn)槭艿酵獠凯h(huán)境、種間平行進(jìn)化與種內(nèi)生態(tài)型繁雜等因素的影響,某些分類群種內(nèi)差異性較大而種間差異性較小甚至存在相互重疊的現(xiàn)象,而有些物種的不同地理群體之間卻因長(zhǎng)期隔離具有較大的差異性。這都使得利用傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)方法對(duì)異齒亞綱貝類進(jìn)行物種鑒定和系統(tǒng)發(fā)育分析變得極其困難,從而導(dǎo)

3、致異齒亞綱貝類的分類處于相對(duì)混亂狀態(tài),特別是種以上水平。因此,形態(tài)學(xué)方法亟需一種效率更高、通用性更強(qiáng)、更加經(jīng)濟(jì)便捷的方法來(lái)進(jìn)行分類和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究以輔助其發(fā)展。
　　利用DNA序列進(jìn)行物種多樣性分析成為一種有效的研究途徑。最新提出的DNA條形碼(DNA barcoding)技術(shù),作為一種用于物種鑒定的新興技術(shù)正引起廣泛的關(guān)注。它利用一段短的線粒體 DNA序列作為物種快速鑒定的標(biāo)記,并希望以此建立 DNA序列和生物物種之間一一對(duì)應(yīng)的

4、關(guān)系。DNA序列不僅能用來(lái)有效地鑒定物種,而且還能推斷物種間的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系,這就是所謂的分子系統(tǒng)學(xué)。分子系統(tǒng)學(xué)的發(fā)展有助于我們更深刻地理解各物種間的演化關(guān)系。DNA條形碼技術(shù)能彌補(bǔ)傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定的缺陷,已成功應(yīng)用于動(dòng)物、植物及微生物界,極大地推動(dòng)了生物多樣性研究的發(fā)展。但它的推行也引起了許多的爭(zhēng)議。本研究我們首先驗(yàn)證了DNA條形碼技術(shù)及其分析方法的可行性,然后利用DNA條形碼技術(shù)和相關(guān)標(biāo)記對(duì)異齒亞綱貝類進(jìn)行了全面的物種鑒定和系統(tǒng)發(fā)育研究

5、。具體研究結(jié)果如下:
　　1.五種DNA條形碼分析方法鑒定櫻蛤總科貝類的比較研究
　　對(duì)采自中國(guó)沿海的櫻蛤總科16個(gè)種68個(gè)個(gè)體的線粒體COI和16S rRNA基因的部分序列進(jìn)行了測(cè)序,其它10個(gè)物種的相應(yīng)序列從GenBank中獲得。以現(xiàn)行的形態(tài)學(xué)分類系統(tǒng)為基準(zhǔn),以鳥(niǎo)蛤總科4個(gè)物種為外類群,評(píng)估了五種DNA條形碼方法(傳統(tǒng)的距離法,ABGD法,單系法,GMYC法和CAOS法)在科、屬、種不同分類水平上鑒定櫻蛤總科26個(gè)形態(tài)學(xué)

6、物種的有效性。
　　研究結(jié)果顯示:
　　(1)對(duì)于COI和16S rDNA基因,特征分析法(CAOS)均可以正確鑒定所有研究的櫻蛤總科的種類,并且可以有效區(qū)分一些屬。所以CAOS特征法的適用性最高,特別是在較高的分類階元。
　　(2)對(duì)于距離法而言,它們能有效的區(qū)分大部分種類,新提出的 ABGD法的鑒定效率等于或者略高于傳統(tǒng)距離法,并沒(méi)有顯現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)?；贑OI基因我們?cè)诜N的水平上發(fā)現(xiàn)了寬度為1％的條形碼間隙(ba

7、rcoding gap),但是種以上分類階元的遺傳距離出現(xiàn)明顯的重疊區(qū),所以屬及以上分類階元的界限無(wú)法界定。
　　(3)對(duì)于傳統(tǒng)的聚類法(單系法)而言,基于COI和16S基因的貝葉斯樹(shù)顯示所有物種都以較高的支持度形成相互獨(dú)立的單系群,但是僅有一個(gè)屬顯示為單系發(fā)生,也就是說(shuō)單系法能夠成功地鑒定出櫻蛤總科所有的26個(gè)形態(tài)學(xué)物種,但是同樣不適用于種上階元的鑒定。而新提出的GMYC法鑒定效率十分不理想,基于COI基因,多增加了34.6%的

8、物種;基于16S rRNA基因,多鑒定了約58.8%的物種。所以基于樹(shù)形的DNA條形碼方法僅適用于研究種及以下水平的親緣關(guān)系。因此我們推斷利用特征法DNA條形碼技術(shù)鑒定物種的鑒定效率最好、適用性最廣,但在初期鑒定物種階段我們也推薦使用 ABGD法和單系法。同時(shí),本研究還發(fā)現(xiàn)COI比相對(duì)保守的16S rRNA基因更適合DNA條形碼標(biāo)記,特別是對(duì)于基于樹(shù)形的條形碼方法。
　　2.基于距離法的異齒亞綱近緣種DNA條形碼研究
　　本

9、節(jié)研究了異齒亞綱67個(gè)屬263個(gè)近緣種共1042個(gè)個(gè)體的標(biāo)準(zhǔn)DNA條形碼序列—COI基因序列。利用K2P遺傳距離模型計(jì)算所得序列種內(nèi)和屬內(nèi)種間兩兩間的遺傳距離,并分析了其遺傳距離相對(duì)分布頻率。種內(nèi)遺傳距離和種間遺傳距離存在著顯著的重疊,“條形碼間隙(barcoding gap)”在異齒亞綱近緣種間并不存在。我們分析了傳統(tǒng)距離法,即“10倍法則”和“3%”閾值標(biāo)準(zhǔn)鑒定物種的效率。結(jié)果顯示,“10倍法則”無(wú)法鑒定55.59%的物種,而“3%

10、”閾值標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法鑒定42.58%的物種。另外,我們檢測(cè)了新提出的基于遺傳距離的DNA條形碼分析方法—條形碼間隙自動(dòng)檢索法鑒定物種的效率。該方法較之于傳統(tǒng)的遺傳距離方法顯現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果顯示,它雖然能將這1042條序列劃分為264個(gè)群組,在這264個(gè)群組的組成中有207個(gè)假定種的組成與 NCBI分類系統(tǒng)相吻合。也就是說(shuō)條形碼間隙自動(dòng)檢索法能有效地區(qū)分78.70%的物種。與傳統(tǒng)的距離DNA條形碼方法相比,條形碼間隙自動(dòng)檢索法有以下幾個(gè)方

11、面的優(yōu)點(diǎn):
　　(1)不依賴于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的單一的閾值標(biāo)準(zhǔn),鑒定標(biāo)準(zhǔn)更加客觀,而且針對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)集可以使用不同的鑒定標(biāo)準(zhǔn);
　　(2)適用條件更加寬泛,即使種內(nèi)和種間遺傳距離存在重疊也不影響它的有效性;
　　(3)操作更加簡(jiǎn)便,省時(shí)、省力,更適用于大規(guī)模的物種初期鑒定工作。
　　3.基于COI和16S rRNA基因的異齒亞綱系統(tǒng)發(fā)生學(xué)關(guān)系研究
　　研究利用線粒體基因 COI和16S rRNA進(jìn)行貝葉斯和最

12、大似然法分析呈現(xiàn)了異齒亞綱的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系。我們將獲得的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)劃分的目、超科、科和屬以及已發(fā)表過(guò)的分子學(xué)研究一起對(duì)比分析。結(jié)果顯示在系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)上簾蛤目和海螂目并沒(méi)有像期待的那樣形成兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)化的分支。在總科的水平上,袖扣蛤總科、飾貝總科、同心蛤總科、鳥(niǎo)蛤總科、心蛤總科、竹蟶總科和厚殼蛤總科為單系;滿月蛤總科、簾蛤總科、櫻蛤總科、蛤蜊總科、蜆總科、海螂總科、海筍總科為并系或者復(fù)系。厚科蛤、星形蛤科和心蛤科顯示了較近的親緣關(guān)系,作為異

13、齒亞綱內(nèi)其它科的姐妹群形成了獨(dú)立的分支。本研究中索足蛤科位于系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的較基部的位置,遠(yuǎn)離了滿月蛤總科。支持了Williams et al.(2004)將無(wú)齒蛤科移除滿月蛤總科的觀點(diǎn)。鳥(niǎo)蛤總科和櫻蛤總科、簾蛤總科和蛤蜊總科、竹蟶總科和袖扣蛤總科分別為姐妹群關(guān)系。櫻蛤總科縊蟶屬與竹蟶總科刀蟶屬顯示了較近的親緣關(guān)系,具體分類地位需要進(jìn)一步研究。簾蛤科與蛤蜊總科、北極蛤科、同心蛤總科和猿頭蛤總科聚合成高支持度的分支。本研究有力說(shuō)明了目前異齒亞

14、綱的分類非常混亂,需要利用形態(tài)學(xué)、古生物學(xué)和分子數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
　　4.利用三種不同DNA條形碼分析方法探究縊蟶屬系統(tǒng)發(fā)生學(xué)關(guān)系
　　本研究分析了采自中國(guó)沿海的櫻蛤總科的16個(gè)物種以及竹蟶總科的4個(gè)物種的線粒體COI基因和16S rRNA基因序列,對(duì)縊蟶屬系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系和分類地位進(jìn)行了研究。距離法、單系法和特征法條形碼分析方法在本研究中得到成功的應(yīng)用。研究結(jié)果表明,縊蟶屬與櫻蛤總科其他屬的遺傳距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其與竹蟶總科各屬的遺傳