鞘翅目昆蟲分子系統(tǒng)學研究概況

 摘要：文章對國內(nèi)外鞘翅目分子系統(tǒng)學的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，對較為常用的線粒體和核基因分子標記的特點分別進行了闡述。
關(guān)鍵詞：鞘翅目；分子系統(tǒng)學
中圖分類號：Q969.48
全球已知鞘翅目種類36萬余種，占全球已知昆蟲總數(shù)的1/3，中國記載約1萬余種。多年以來，甲蟲的起源與系統(tǒng)進化、分類系統(tǒng)一直是昆蟲學家熱烈討論的題目。鞘翅目昆蟲數(shù)量眾多，國內(nèi)外學者對鞘翅目不同分類階元的系統(tǒng)發(fā)育問題進行了廣泛而深入的研究。
1 線粒體基因組
1.1 線粒體DNA的組成及其結(jié)構(gòu)特征
鞘翅目昆蟲線粒體DNA（mtDNA）的組成與其他的昆蟲相同，是雙鏈、閉合、環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，大小為15.3-16.4kb，由13個蛋白編碼基因、22個rRNA基因、2個rRNA基因和1個非編碼的控制區(qū)（D-loop）組成。蛋白質(zhì)編碼基因分別是細胞色素b脫輔基酶（Cytb）、細胞色素c氧化酶亞基I、II、III（CO1、CO2、CO3）、NADH脫氫酶亞基1-6（ND1、ND2、ND3、ND4、 ND5、 ND 6）和4L（ND4L）及ATP合成酶亞基6和亞基8（ATPase 6和ATPase 8）。22個tRNA基因編碼的氨基酸具體如圖。
線粒體DNA作為系統(tǒng)發(fā)育分析具有提取方法簡單、母系遺傳及進化速度快的特點，因此線粒體基因特別適用于解決較低階元的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。
1.2 線粒體DNA在鞘翅目昆蟲系統(tǒng)發(fā)育研究中的應用
    線粒體基因組中不同的基因在進化速率上存在差異，因此根據(jù)各個基因不同的進化速率，可以解決不同分類階元上的系統(tǒng)發(fā)育問題。
Vogler和Welsh（1997）選擇北美虎甲科具有代表性的Cicindela屬23種昆蟲及6個外群種，基于3段線粒體基因（Cytb、COIII及16SrRNA）共計1896bp長的片段重建Cicindela屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。研究結(jié)果表明，分子系統(tǒng)學研究所得到的結(jié)果與前人基于生殖器結(jié)構(gòu)的形態(tài)學分類結(jié)果基本一致，只是個別屬的分類地位與傳統(tǒng)形態(tài)分類學存在分歧。Cognato和Sperling （2000）利用長度為766bp的線粒體COI基因?qū)π◇伎疲⊿colytidae）齒小蠹屬（Ips）39種昆蟲進行系統(tǒng)發(fā)育重建。研究結(jié)果表明當前基于形態(tài)分類的齒小蠹屬并不是一個單系群，歐洲的齒小蠹屬在系統(tǒng)樹中也沒有形成單系群，認為當前齒小蠹屬的分類系統(tǒng)尚需修訂。Gomez-Zurita等（2000）擴增了葉甲科（Chrysomelidae）無翅Timarcha屬31個分類單元以及3個外群共54條序列的線粒體基因COⅡ和16SrDNA共1200bp長的片段，采用最大簡約法和距離法進行了系統(tǒng)發(fā)育重建并對Timarcha屬COⅡ基因的進化率進行了估計。認為應把食性變寬作為在Timarcha屬研究系統(tǒng)發(fā)育和寄主植物的關(guān)系的起源性特征。Maus等（2001）利用長度為2022bp的線粒體COI和COII序列重建了鞘翅目Staphylinidae科Aleochara屬50個個體的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，結(jié)果支持Aleochara屬為一個單系群，在這一單系群內(nèi)又分為兩個大的單系分支。Ribera等（2004）基于線粒體COI和16SrRNA基因部分序列對全北區(qū)水生甲蟲Agabinae族中的四屬共計107種昆蟲進行系統(tǒng)發(fā)育分析，其中Ilybius屬和Ilybiosoma屬被很好的重建為單系群，而Platambus屬并未被重建為單系群，Agabus屬為并系群。最后從生物地理學角度對Agabinae族的種群形成和發(fā)展過程進行了推斷。Martinez-Navarro等（2005）通過對步甲科（Carabidae）Harpalini族119種昆蟲長度為759bp的COI序列進行測定及系統(tǒng)發(fā)育重建，對一直存在爭議的Harpalini族系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的不同假說提供了分子證據(jù)。Forgie等（2006）基于線粒體COI和16SrRNA序列對金龜子科（Scarabaeidae）25種昆蟲進行了系統(tǒng)發(fā)育分析，并結(jié)合216種形態(tài)學特征和3個生物學特性聯(lián)合分析，對存在爭議的Scarabaeus屬的分類地位進行了重新確定，認為金龜子科昆蟲的取食的特異性和食物重定位行為有多種起源。Kolsch和Pedersen（2008）對葉甲科水葉甲亞科（Donaciinae）46種昆蟲線粒體COI和EF-1ɑ序列采用不同建樹方法進行系統(tǒng)發(fā)育重建和分歧時間估計。系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)果與傳統(tǒng)分類結(jié)果一致，并推測出水葉甲亞科大約起源于距今7500-10000萬年前，這個種群的首次分化發(fā)生在古新世（Palaeocene）。
國內(nèi)研究方面利用線粒體基因部分序列對鞘翅目昆蟲系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究較多。黃永成等（2001）對長蠹科（Bostrychidae）5種檢疫性害蟲長度為204bp的線粒體ND4基因序列進行測定，并將實驗結(jié)果與形態(tài)學特征比較分析，探討5個種及所在屬的系統(tǒng)進化。劉曉麗和任國棟（2004）測定了9 種擬步甲的長度為435bp的16SrDNA部分基因序列，并與GenBank中的1種步甲的基因序列作同源性比較，計算其核苷酸使用頻率并構(gòu)建了分子系統(tǒng)樹。付景和張迎春（2006）將采自西北地區(qū)的瓢蟲科4亞科16種和從GenBank中檢索到相關(guān)物種的線粒體COI基因序列片斷進行同源性比較，計算核苷酸使用頻率，并構(gòu)建分子系統(tǒng)樹。鄭福山等（2007）通過對小螢葉甲屬（Galerucinae）部分種類的線粒體COⅠ基因進行比較，探討小螢葉甲屬昆蟲進化與寄主植物之間的關(guān)系，并對幾種分類地位模糊的昆蟲進行分析和歸類。代金霞等（2008）測定了擬步甲科（Tenebrionidae）10種昆蟲線粒體Cytb基因長度為579 bp的序列片段，結(jié)合Genbank中的赤擬粉甲（Tribolium castaneum）的同源序列進行了系統(tǒng)發(fā)育分析。吳衛(wèi)和李冠（2010）利用線粒體Cyt b和12SrRNA基因的部分序列，采用最大簡約法（MP）、最大似然法（ML）和貝葉斯推論法（BI）重建了新疆不同生境的10種螢葉甲亞科（Galerucinae）昆蟲的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。
2 核基因
2.1 核基因的組成及其結(jié)構(gòu)特征
核糖體是主要的細胞器，擔負著將信使RNA（messenger RNA，mRNA）翻譯成蛋白質(zhì)的功能，是合成蛋白質(zhì)的“工廠”。核糖體由rRNA和蛋白質(zhì)組成，rRNA在細胞內(nèi)含量較高，約占總RNA含量的80-85%。rRNA既含有保守區(qū)域也含有變異較大的區(qū)域，所以其既可充當慢生物鐘又可作為快生物鐘。真核生物核糖體rRNA包括大小兩個亞基。大亞基由28S、5.8S和5SrRNA組成，小亞基為18SrRNA。18S、28SrRNA和ITS的基因序列在昆蟲分子系統(tǒng)學得到了廣泛的應用。
Lin和Danforth（2004）利用貝葉斯法對7個目昆蟲12組線粒體與核基因聯(lián)合數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明核基因序列與線粒體基因相比具有以下優(yōu)點：①核基因的進化速率低于線粒體，這使核基因成為解決分歧較遠的分類單元間關(guān)系的較好的分子標記；②核基因構(gòu)建的系統(tǒng)樹通常具有較高的CI值，比線粒體更有助于對樹的解析；③核基因堿基位點的變異速率有較高的同質(zhì)性；④核基因的堿基替代速率比線粒體更均勻。該研究認為，昆蟲分子系統(tǒng)學研究應該更加關(guān)注核基因數(shù)據(jù)而不是線粒體基因數(shù)據(jù)。當前，線粒體序列與核基因序列聯(lián)合數(shù)據(jù)集重建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系已廣泛的應用到昆蟲分子系統(tǒng)學研究的各個領(lǐng)域中。
2.2 核基因在鞘翅目昆蟲系統(tǒng)發(fā)育研究中的應用
核基因序列由于其進化速率慢的特點，在解決鞘翅目昆蟲高級分類階元系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究中得到了廣泛的應用。
現(xiàn)生的甲蟲是在二疊紀（Permian period）晚期和侏羅紀（Jurassic）早期分化形成的，根據(jù)其形態(tài)特征分為4個目，即原鞘亞目（Archostemata）、藻食亞目（Myxophaga）、肉食亞目（Adephaga）和多食亞目（Polyphaga），17總科，168科。關(guān)于鞘翅目4亞目之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，存在以下幾種假說：①多食亞目與藻食亞目是姐妹群（Crowson，1960，1975；Machatschke，1962；Klausnitzer，1975；Beutel，1997；Beutel和Hass，2000）；②肉食亞目與藻食亞目是姐妹群（Lawrence和Newton，1982；KokalovÀ-Peck和Lawrence，1993）；③多食亞目與肉食亞目是姐妹群（Shull et al.，2001；Caterino et al.，2002）；④原鞘亞目與肉食亞目是姐妹群, 藻食亞目與多食亞目是姐妹群（Baehr，1979）。分子系統(tǒng)學手段先后應用到這些假說的驗證當中。Shull等（2001）根據(jù)18SrRNA基因全序列采用簡約法、似然法及距離法重建肉食亞目39種及13種外群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，證明了第三種假說，即多食亞目和肉食亞目是姐妹群，藻食亞目位于系統(tǒng)樹的基部。Caterino等（2002）基于18SrDNA全序列重建鞘翅目四亞目之間的系統(tǒng)樹，結(jié)果認為鞘翅目不是單系群，多食亞目和肉食亞目是姐妹群，之后與藻食亞目形成單系群，而與原鞘亞目之間插入了雙翅目（Diptera）和捻翅目（Strepsiptera）。也證明了第三種假說。Hughes等（2006）基于形態(tài)學和分子系統(tǒng)學的研究結(jié)果，證明了第一種假說。Hunt等（2007）對1880種鞘翅目甲蟲采用核基因18SrRNA與線粒體基因16SrRNA和COI序列重建鞘翅目系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，結(jié)果也支持第一種假說。Farrell（1998）對鞘翅目115個個體聯(lián)合核基因18SrRNA全序列和212個形態(tài)特征及化石資料探討鞘翅目昆蟲數(shù)量如此巨大的原因，推斷認為是由于鞘翅目與被子植物協(xié)同進化與適應輻射引起的。Hunt等（2007）否定了Farrell（1998）對鞘翅目昆蟲多樣性成因的推斷。認為，鞘翅目昆蟲數(shù)量眾多的原因是源于前白堊紀（Pre-Cretaceous）起源的100多個譜系的延續(xù)和其存在于多樣的生態(tài)位(niches)之中。
此外，核基因序列也在研究中廣泛使用。Kim等（2000）利用線粒體NADH脫氫酶亞基5（ND5）和核基因28S rRNA對步甲科（Carabidae）Leptocarabus屬的14種昆蟲進行形態(tài)多樣分化類型分析。系統(tǒng)發(fā)育樹將來自同一地區(qū)的不同種的昆蟲聚為一個分支，同一種昆蟲的不同地理種群分布在不同的分支中。對這種現(xiàn)象可能的解釋是不同支系中的個體發(fā)生了形態(tài)學轉(zhuǎn)化。Sota等（2005）采用2段線粒體基因（16SrRNA和ND5）與核基因烯醇丙酮酸磷酸羧激酶基因（PEPCK gene）并結(jié)合形態(tài)學數(shù)據(jù)對澳大利亞步甲科（Carabidae）Pamborus屬14種昆蟲及來自新西蘭的2個外群種重建系統(tǒng)樹，并進行了分歧時間估計?；诜肿隅姷难芯拷Y(jié)果，澳大利亞-新西蘭種群和南極洲種群是在8500萬年前發(fā)生的分化，Pamborus屬是在漸新世（Oligocene）之后發(fā)生了分化。Sagemami-Oba等（2007）采用核基因28SrDNA部分序列探討了叩甲科（Elateridae）9亞科的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，解釋了叩甲科昆蟲生物發(fā)光特性的演化。認為叩甲科的祖先是不能發(fā)光的種類，后來逐漸分化出能夠發(fā)光的類群。Sagemami-Oba等（2007）利用長度為1900bp的18SrDNA序列重建了花螢總科（Cantharoidea）內(nèi)4亞科的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，在與傳統(tǒng)分類觀點結(jié)果比較的基礎上提出了花螢總科內(nèi)各分支進化的新觀點。Gómez-Zurita等（2007）對葉甲科（Chrysomelidae）主要支系的167種昆蟲聯(lián)合核基因大亞基28SrRNA和小亞基18SrRNA及線粒體16SrRNA共計長度超過3000bp的序列進行系統(tǒng)發(fā)育重建及分歧時間估計。結(jié)果顯示，葉甲科起源于7300-7900萬年前，這與化石確認的研究結(jié)果是一致的。Gómez-Zurita等（2007）采用2段線粒體（COI-COII、16SrRNA）和2段核基因（ITS、28SrRNA）序列重建葉甲科（Chrysomelidae）Crytonus屬部分種類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并結(jié)合該屬的形態(tài)特征分析其進化歷史。Gómez-Zurita等（2008）基于線粒體16SrRNA及核基因大亞基28SrRNA和小亞基18SrRNA總長約3000bp的序列對葉甲科（Chrysomelidae）167種昆蟲進行系統(tǒng)發(fā)育重建，將葉甲科分為3個主要的分支。這一研究結(jié)果揭示了當聯(lián)合分子和形態(tài)數(shù)據(jù)進行葉甲科系統(tǒng)發(fā)育分析時，形態(tài)學特征的趨同進化對所產(chǎn)生的結(jié)果有影響。Marvaldi等（2009）采用18SrDNA（V4-V5區(qū)與V7-V9區(qū)）和28SrDNA（D2區(qū)）序列對鞘翅目扁甲系（Cucujiformia）共計104種甲蟲進行系統(tǒng)發(fā)育重建。結(jié)果證明了多食亞目（Phytophaga）的單系性，且象甲總科（Curculionoidea）和葉甲總科（Chrysomeloidea）為姐妹群。并建議18SrDNA和28SrDNA聯(lián)合數(shù)據(jù)集是解決鞘翅目高級分類階元間關(guān)系的有效分子標記。Ruiz等（2009）對步甲科（Carabidae）Sphodrini族采用線粒體COI與COII及核基因（EF-1ɑ，28S，18S）共計長約6400bp的片段重建系統(tǒng)發(fā)育樹。Sphodrini族及外群Platynini、Pterostichini、和Zabrini三族分別構(gòu)成單系分支。
國內(nèi)利用核基因序列研究鞘翅目昆蟲系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究較少。江世宏等（2009）通過對叩甲科（Elateridae）昆蟲核糖體28SrDNA基因長度為890bp的片段序列進行比較，從分子水平研究叩甲科昆蟲的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并與傳統(tǒng)分類結(jié)果進行比較，為我國叩甲科分類系統(tǒng)的論證和進一步修訂奠定基礎。
作者簡介：李愛林（1969-），男，吉林省磐石市細林林場助理工程師，研究方向：森林病蟲害防治。