稻蝗屬遺傳多樣性及其生態(tài)適應(yīng).pdf

1、稻蝗(Oxya)隸屬于昆蟲綱(Insecta)，直翅目(Orthoptera)，蝗總科(Acridoidea)，斑腿蝗科(Oedipodidae)，是重要的農(nóng)業(yè)害蟲之一。近年來，對稻蝗屬物種的研究工作在形態(tài)、細(xì)胞、蛋白質(zhì)標(biāo)記和分子標(biāo)記等方面均有報(bào)道，其中對中華稻蝗研究較為透徹，對于日本稻蝗和小稻蝗的研究僅局限于在中國境內(nèi)的局部地區(qū)，采樣點(diǎn)覆蓋面較小，種群數(shù)量較少。
　　本研究以日本稻蝗、小稻蝗和稻蝗屬一待定種為研究對象，通過采用線

2、粒體DNA等基因序列測定分析、AFLP分子標(biāo)記和形態(tài)性狀測定等方法，對稻蝗屬物種分子遺傳多樣性、種群遺傳結(jié)構(gòu)、譜系分布進(jìn)行研究，結(jié)合生物地理學(xué)信息，對該屬物種分化及其生態(tài)適應(yīng)規(guī)律進(jìn)行探討。本文的研究內(nèi)容有如下幾個(gè)方面:
　　1)本研究采用AFLP分子標(biāo)記對日本稻蝗進(jìn)行種群遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性研究，探討不同生境中（栽培稻田和野生稻田）的日本稻蝗種群間是否存在遺傳多樣性差異和遺傳分化。采用8對選擇性引物組合對采自我國南方的7個(gè)日本稻蝗

3、種群共計(jì)104個(gè)個(gè)體進(jìn)行AFLP擴(kuò)增，共得到564條清晰可辨的條帶，其中563條為多態(tài)性條帶。日本稻蝗種群間遺傳多樣性分化明顯，基因多樣性（HE）分布范圍為0.1103～0.2035。野生稻田內(nèi)的3個(gè)日本種群平均遺傳多樣性（HE=0.1635）高于栽培稻田內(nèi)4個(gè)種群的平均遺傳多樣性（HE=0.1327）。種群分化系數(shù)FST值(0.4172～0.7652)表明在七個(gè)種群之間存在明顯的遺傳分化現(xiàn)象。Mantel檢驗(yàn)表明地理距離和遺傳距離之間

4、沒有顯著相關(guān)性(r=0.3541;p=0.0689)。生存在野生稻田的日本稻蝗種群與栽培稻田的日本稻蝗種群間出現(xiàn)明顯的遺傳分化，這可能是由于人類在栽培稻田的農(nóng)業(yè)耕作行為（例如殺蟲劑和農(nóng)藥的使用、施肥、灌溉等）對日本稻蝗種群遺傳結(jié)構(gòu)起到明顯的影響。
　　2)通過對100個(gè)日本稻蝗個(gè)體進(jìn)行線粒體DNA CO(I)基因部分序列測定分析，得到650bp的堿基序列，共計(jì)55個(gè)變異位點(diǎn)，并產(chǎn)生48個(gè)單倍型，其中27個(gè)單倍型為共享單倍型。共享單

5、倍型僅分布于各個(gè)種群內(nèi)部，種群間和組間并不存在共享單倍型?；谧畲蠛喖s法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹表明:聚類樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與地理格局相吻合，單倍型首先以種群為單位相聚，大部分相鄰的種群率先聚為一支并最終形成五個(gè)大的聚類簇。TCS分析形成了具有明顯間隔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，相鄰的5個(gè)組間均有較多的突變步驟。分子方差分析結(jié)果表明，10個(gè)日本稻蝗種群具有很明顯的地域分化，按照地域分隔形成的5個(gè)組間的遺傳變異達(dá)到了總變異度的62.96％，遺傳分化極其顯著（P＜0.

6、001）。LAMARC結(jié)果表明，在同一地域的不同種群之間有頻繁的基因交流，但是不同地域之間的種群基因交流不明顯。FST值和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖顯示，5個(gè)組起源于共同的祖先種群，但是由于長時(shí)間的時(shí)空隔離，使不同組間的基因交流明顯減少，最終形成遺傳分化。Fu's Fs檢驗(yàn)結(jié)果顯示所有檢驗(yàn)結(jié)果均為負(fù)值，中國西南部組(TC)和菲律賓南部組（ILO和DAV）中性檢驗(yàn)結(jié)果顯著（表5）。5個(gè)組經(jīng)過錯(cuò)配分布計(jì)算轉(zhuǎn)化得到的擴(kuò)張曲線顯示，中國西南部組騰沖(TC)種群

7、和菲律賓北方組（BAL和IRRI種群）呈現(xiàn)單峰倒鐘形曲線，其余各組均為多峰曲線(圖3)，表明這兩個(gè)組在近期經(jīng)歷了瓶頸效應(yīng)和種群擴(kuò)張。TC種群的擴(kuò)張時(shí)間約為92820年前，菲律賓北部組的擴(kuò)張時(shí)間約為70940年前。MDIV結(jié)果表明，TC種群與其他種群間的分歧時(shí)間為2.13百萬年前(2.13 Mya)，菲律賓北方組與菲律賓組南方組的分歧時(shí)間為0.74百萬年前(0.74 Mya)，馬來半島組合中國南部組之間的分歧時(shí)間為1.13百萬年前(1.1

8、3Mya)，4個(gè)菲律賓種群與大陸種群的分歧時(shí)間為1.55百萬年前(1.55 Mya)。
　　3)采用DNA序列測定和AFLP分子標(biāo)記分別對采自東南亞四個(gè)國家的小稻蝗進(jìn)行檢測，以探討地質(zhì)事件和氣候變遷對小稻蝗種群遺傳結(jié)構(gòu)和譜系地理學(xué)格局的影響。175個(gè)個(gè)體用于線粒體DNA COI序列片段測定，232個(gè)個(gè)體用于AFLP分子標(biāo)記研究。結(jié)果表明，在不同的地理區(qū)域間，遺傳多樣性并未隨著海拔或者經(jīng)緯度的變化而發(fā)生明顯的差異，聚類樹形成三個(gè)深度

9、分歧的拓?fù)浞种ЫY(jié)構(gòu)，這與由于高山和海峽隔離形成的三個(gè)地理結(jié)構(gòu)相吻合。TCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖顯示出三個(gè)不相連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，AMOVA結(jié)果表明在不同區(qū)域間的種群遺傳分化極顯著，說明不同區(qū)域間存在長期的時(shí)空隔離。所有單倍型首先以種群為單位相聚，在同一區(qū)域的不同種群之間有頻繁的基因交流，但是不同區(qū)域之間的種群基因交流不明顯。過去的地質(zhì)事件和冰期過程中的氣候反復(fù)是形成小稻蝗現(xiàn)有種群遺傳結(jié)構(gòu)和譜系格局的最重要因素。同時(shí)，棲息地、植被以及人為因素的影響也對該

10、物種的基因流和基因滲入產(chǎn)生一定影響。此外，適宜的溫度、充足的雨水和大量禾本科植物是小稻蝗擴(kuò)散的有利條件。較高的遺傳多樣性、明顯的種群分化、負(fù)的Fu's Fs檢驗(yàn)值和單峰及多峰分布模型，均表明12個(gè)小稻蝗種群經(jīng)歷了復(fù)雜的擴(kuò)張過程，這可能是由于第四季冰川時(shí)期環(huán)境的不斷變化所造成的。
　　4)本研究以我國和菲律賓的小稻蝗12個(gè)種群和日本稻蝗10個(gè)種群為研究對象，選取體長(LB)、前翅長(LEL)、前胸背板長(LP)、后足股節(jié)長(LF)、

11、后足股節(jié)寬(WF)5個(gè)性狀，使用電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行長度測量并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。采用SPSS11.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行蟲體測量值比較、性狀的單因素方差分析和各性狀間及其與海拔的相關(guān)性分析。結(jié)果表明:小稻蝗和日本稻蝗標(biāo)本所有雌蟲體長均明顯大于雄蟲。小稻蝗形態(tài)測量結(jié)果表明，中國騰沖(TC)、西藏(XZ)和萬寧(WN)種群與菲律賓種群相比較在各個(gè)性狀均具有顯著性差異，其余種群間差異不顯著。日本稻蝗形態(tài)測量結(jié)果表明，中國種群在各個(gè)性狀特征測量值上均大于菲律賓種群

12、，且彼此差異顯著。各稻蝗種群由于生活在不同的氣候中，環(huán)境因素導(dǎo)致不同種群的稻蝗外部形態(tài)特征出現(xiàn)較明顯的差異;地理屏障導(dǎo)致的種群隔離也是形成形態(tài)差異的主要原因。日本稻蝗和小稻蝗TC種群在大部分性狀上均與其他種群差異明顯，相關(guān)性分析結(jié)果也表明5個(gè)性狀均與海拔高度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，說明體型較大、運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)的稻蝗更有利于在高海拔環(huán)境中生存。
　　5)對采自云南騰沖的一稻蝗屬待定種進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定和系統(tǒng)發(fā)育分析。形態(tài)學(xué)結(jié)果顯示，該物種具有稻

13、蝗屬物種的一般形態(tài)特征。主要差異在于，體長比日本稻蝗和中華稻蝗等物種為小，與小稻蝗長度相似，但體寬大于小稻蝗。前翅長與稻蝗屬其它物種具有明顯差異，長度僅達(dá)后足股節(jié)的一半。雄性肛上板形狀與小稻蝗相似，但兩側(cè)無疣狀突起，端部中央向后延伸，長大于寬，呈三角形。雌性下生殖板中央無凹槽，兩側(cè)無隆起的脊，末端無齒。對該物種進(jìn)行線粒體DNA Cytb基因片段序列測定，并與從GenBank下載的9個(gè)稻蝗屬物種Cytb序列進(jìn)行比對，采用NJ、MP和ML方

14、法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，系統(tǒng)進(jìn)化樹顯示12個(gè)Oxya sp.個(gè)體構(gòu)成獨(dú)立的一支，證明該物種是稻蝗屬一新種。
　　6)基于稻蝗屬物種及近緣屬種的大量RAPD-PCR結(jié)果，篩選出稻蝗屬物種特異性的RAPD條帶，對特異條帶進(jìn)行克隆、測序，序列同源比對后設(shè)計(jì)特異引物，以稻蝗屬不同物種和蝗總科其它物種基因組DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。以隨機(jī)引物S823擴(kuò)增得到約650 bp的RAPD條帶，這些條帶在稻蝗屬不同物種中序列高度同源，G+C含量大于15