異齒亞綱貝類DNA條形碼與系統(tǒng)發(fā)生學研究.pdf

1、異齒亞綱(Heterodonta)隸屬于雙殼綱軟體動物門,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。和其他軟體動物門類一樣,異齒亞綱貝類傳統(tǒng)分類學建立的重要依據(jù)是貝殼的表觀特征(大小、質地、殼型、鉸合部、鉸合齒、內外韌帶、殼表二級結構等)、成體軟體部的組織和器官的解剖

2、結構(閉殼肌的數(shù)目和形狀、鰓的結構、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,因為受到外部環(huán)境、種間平行進化與種內生態(tài)型繁雜等因素的影響,某些分類群種內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)學方法對異齒亞綱貝類進行物種鑒定和系統(tǒng)發(fā)育分析變得極其困難,從而導

3、致異齒亞綱貝類的分類處于相對混亂狀態(tài),特別是種以上水平。因此,形態(tài)學方法亟需一種效率更高、通用性更強、更加經(jīng)濟便捷的方法來進行分類和系統(tǒng)發(fā)育學研究以輔助其發(fā)展。
　　利用DNA序列進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,作為一種用于物種鑒定的新興技術正引起廣泛的關注。它利用一段短的線粒體 DNA序列作為物種快速鑒定的標記,并希望以此建立 DNA序列和生物物種之間一一對應的

4、關系。DNA序列不僅能用來有效地鑒定物種,而且還能推斷物種間的系統(tǒng)發(fā)生關系,這就是所謂的分子系統(tǒng)學。分子系統(tǒng)學的發(fā)展有助于我們更深刻地理解各物種間的演化關系。DNA條形碼技術能彌補傳統(tǒng)形態(tài)學鑒定的缺陷,已成功應用于動物、植物及微生物界,極大地推動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議。本研究我們首先驗證了DNA條形碼技術及其分析方法的可行性,然后利用DNA條形碼技術和相關標記對異齒亞綱貝類進行了全面的物種鑒定和系統(tǒng)發(fā)育研究

5、。具體研究結果如下:
　　1.五種DNA條形碼分析方法鑒定櫻蛤總科貝類的比較研究
　　對采自中國沿海的櫻蛤總科16個種68個個體的線粒體COI和16S rRNA基因的部分序列進行了測序,其它10個物種的相應序列從GenBank中獲得。以現(xiàn)行的形態(tài)學分類系統(tǒng)為基準,以鳥蛤總科4個物種為外類群,評估了五種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個形態(tài)學

6、物種的有效性。
　　研究結果顯示:
　　(1)對于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,并沒有顯現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。基于COI基因我們在種的水平上發(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法界定。
　　(3)對于傳統(tǒng)的聚類法(單系法)而言,基于COI和16S基因的貝葉斯樹顯示所有物種都以較高的支持度形成相互獨立的單系群,但是僅有一個屬顯示為單系發(fā)生,也就是說單系法能夠成功地鑒定出櫻蛤總科所有的26個形態(tài)學物種,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。所以基于樹形的DNA條形碼方法僅適用于研究種及以下水平的親緣關系。因此我們推斷利用特征法DNA條形碼技術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,本研究還發(fā)現(xiàn)COI比相對保守的16S rRNA基因更適合DNA條形碼標記,特別是對于基于樹形的條形碼方法。
　　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個屬263個近緣種共1042個個體的標準DNA條形碼序列—COI基因序列。利用K2P遺傳距離模型計算所得序列種內和屬內種間兩兩間的遺傳距離,并分析了其遺傳距離相對分布頻率。種內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%”閾值標準鑒定物種的效率。結果顯示,“10倍法則”無法鑒定55.59%的物種,而“3%

10、”閾值標準無法鑒定42.58%的物種。另外,我們檢測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。結果顯示,它雖然能將這1042條序列劃分為264個群組,在這264個群組的組成中有207個假定種的組成與 NCBI分類系統(tǒng)相吻合。也就是說條形碼間隙自動檢索法能有效地區(qū)分78.70%的物種。與傳統(tǒng)的距離DNA條形碼方法相比,條形碼間隙自動檢索法有以下幾個方

11、面的優(yōu)點:
　　(1)不依賴于根據(jù)經(jīng)驗設定的單一的閾值標準,鑒定標準更加客觀,而且針對于同一個數(shù)據(jù)集可以使用不同的鑒定標準;
　　(2)適用條件更加寬泛,即使種內和種間遺傳距離存在重疊也不影響它的有效性;
　　(3)操作更加簡便,省時、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)生學關系研究
　　研究利用線粒體基因 COI和16S rRNA進行貝葉斯和最

12、大似然法分析呈現(xiàn)了異齒亞綱的系統(tǒng)發(fā)生關系。我們將獲得的拓撲結構與傳統(tǒng)劃分的目、超科、科和屬以及已發(fā)表過的分子學研究一起對比分析。結果顯示在系統(tǒng)發(fā)生樹上簾蛤目和海螂目并沒有像期待的那樣形成兩個獨立進化的分支。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系。厚科蛤、星形蛤科和心蛤科顯示了較近的親緣關系,作為異

13、齒亞綱內其它科的姐妹群形成了獨立的分支。本研究中索足蛤科位于系統(tǒng)發(fā)育樹的較基部的位置,遠離了滿月蛤總科。支持了Williams et al.(2004)將無齒蛤科移除滿月蛤總科的觀點。鳥蛤總科和櫻蛤總科、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系,具體分類地位需要進一步研究。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。本研究有力說明了目前異齒亞

14、綱的分類非?；靵y,需要利用形態(tài)學、古生物學和分子數(shù)據(jù)進行校正。
　　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)生學關系
　　本研究分析了采自中國沿海的櫻蛤總科的16個物種以及竹蟶總科的4個物種的線粒體COI基因和16S rRNA基因序列,對縊蟶屬系統(tǒng)發(fā)生關系和分類地位進行了研究。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用。研究結果表明,縊蟶屬與櫻蛤總科其他屬的遺傳距離遠遠大于其與竹蟶總科各屬的遺傳