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        基于浙江北部及上海天蛾科昆蟲COI 基因的分類系統(tǒng)研究

        2020-11-12 12:47:08楊行健蔣卓衡何祝清
        浙江林業(yè)科技 2020年5期
        關鍵詞:天蛾亞科測序

        楊行健,胡 懿,顧 妍,蔣卓衡,何祝清

        (1. 華東師范大學 第二附屬中學(張江校區(qū)),上海 201203;2.生物學青少年實踐工作站,生命科學學院,華東師范大學,上海 200241;3.華東師范大學第二附屬中學(紫竹校區(qū)),上海 200241;4.蘇州工業(yè)園區(qū)星海實驗中學,江蘇 蘇州 215100;5.南京紫金山昆蟲博物館,江蘇 南京 210000;6.生物博物館,生命科學學院,華東師范大學,上海 200241;7.長江三角洲河口濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部和上海市野外科學觀測研究站,華東師范大學,上海 200241)

        天蛾科Sphingidae 隸屬于鱗翅目Lepidoptera 蠶蛾總科Bombycoidea,全世界包括200 多個屬,1 400 余種,遍布除南極洲外的各個大陸[1]。天蛾(天蛾科昆蟲的統(tǒng)稱)是重要的農(nóng)業(yè)昆蟲,成蟲在傳粉上有重要作用,但是幼蟲又大量取食各種農(nóng)作物。由于其個體大、便于采集、種類多,是用于研究形態(tài)功能學[2]、協(xié)同進化[3-4]、生物地理學[5]等的良好材料。

        然而,這些研究都需要建立在可信的系統(tǒng)發(fā)育學的研究基礎之上。早期的系統(tǒng)發(fā)育研究主要體現(xiàn)在高級階元(亞科、族)的劃分。Rothschild 等最先為天蛾科物種作科學化的分類,分為感毛組與無感毛組兩大組,下設五亞科七族[6]。朱弘復和王林瑤編寫的《中國動物志昆蟲綱第11 卷鱗翅目天蛾科》(以下簡稱動物志)中[7],其分類系統(tǒng)的參考即是該體系,之后國內(nèi)多數(shù)有關天蛾的研究也多沿襲《動物志》中五亞科分類系統(tǒng)[8-14]。隨著分子生物學的發(fā)展,采用分子標記重建系統(tǒng)發(fā)育樹的研究隨之展開。然而,這些研究或者個體較少,或者僅研究某屬或某族,缺乏整體性的把握[15-17]。直到2009 年,Kawahara 等通過測序131 種天蛾的5 個編碼核基因(6 793bp),重建了全球范圍內(nèi)的天蛾系統(tǒng)發(fā)育關系,確立了三亞科分類體系,其下共設八族[1]。

        本研究基于中國浙江北部及上海市的天蛾標本,以COI基因為分子標記,重建了系統(tǒng)發(fā)育樹,比較了Kawahara 和朱弘復等提出的2 種分類系統(tǒng)的異同。

        1 材料和方法

        1.1 研究材料

        試驗樣品于2016 年和2019 年6-8 月采集自浙江北部的桐廬天子地生態(tài)風景旅游區(qū)、天童山國家森林公園、清涼峰國家級自然保護區(qū)及上海的金山區(qū)增豐村、崇明區(qū)陳家鎮(zhèn)、閔行區(qū)華東師范大學校區(qū)。采集方法包括燈誘法、網(wǎng)捕法和飼養(yǎng)法。其中,盾天蛾指名亞種Phyllosphingia dissimilis dissimilis樣品2,3,6 為土中挖掘得到的蛹,后羽化成蟲,福瑞茲長喙天蛾Macroglossum fritzei樣品2,3為掃網(wǎng)所得,其余樣品均為夜晚燈誘采集。其中,在桐廬樣點設置了4 個誘燈,每3 h 采集一次。采集到的天蛾采用75%醫(yī)用酒精注射腹部致死,取2~ 3 條后足保存于無水乙醇中,并將后足及標本對應編號。將取足后的天蛾置于三角包中室溫通風保存,用于制作干制標本及形態(tài)鑒定。本次研究共采集到天蛾樣品94 只,共計31 種;另有2 種蠶蛾(柞蠶Antherea pernyi及華尾大蠶蛾Actias sinensis)作為系統(tǒng)發(fā)育分析的外群,見表1。

        圖1 采集的天蛾部分種類標本Figure 1 Some collected Sphingidae

        1.2 DNA 提取及COI 基因擴增

        采用AxyPrep Genomic DNA Miniprep Kit (AXYGEN)試劑盒對各樣品DNA 進行提取。COI基因擴增PCR采用Taq PCR Master Mix 酶,引物采用LCO1490(5’-GGT CAA ATC ATA AAG ATA TTG G-3’)和HCO2198(5’-TTA ACT TCA GGG TGA CCA AAA AAT CA-3’),由鉑尚生物技術(上海)有限公司合成,PCR 反應條件為:預變性94℃ 2 min,變性94℃ 30 s,退火45℃ 30 s,延伸72℃ 30 s,終延伸72℃ 7 min,循環(huán)30 次。PCR 產(chǎn)物送交鉑尚生物技術(上海)有限公司進行雙向測序。各樣品GenBank 號詳見表1。

        表1 樣品采集信息及GenBank 號Table 1 Samples collected and GenBank number

        表1續(xù)

        1.3 系統(tǒng)發(fā)育分析

        對測序結果,首先采用Bioedit 軟件對COI基因的峰圖進行篩選,對有雙峰或底峰的序列需要重新進行PCR的擴增及測序,查找問題。而結果準確的雙向測序序列則利用ATGC7 軟件進行拼接,并將拼接后的序列導入MEGA7 軟件進行ClustalW 比對,去掉左右的引物序列,得到658bp 的基因序列,將其以FASTA 文件格式保存并輸出。本研究選用最大似然法(Maxiumum likelihood,ML)對COI基因片段進行系統(tǒng)發(fā)育樹的構建,基于GTR 模型進行1 000 次分析(Bootstrap value),最終構建ML 系統(tǒng)發(fā)育進化樹。

        2 結果與分析

        研究測得了全部96 個樣品的COI基因片段(658bp),將其重建系統(tǒng)發(fā)育樹,如圖2。由圖1 可知,天蛾科是個單系群,同種同屬全部各自聚在一起,后驗概率全部 > 95%(平背天蛾除外,采集自桐廬的4 個平背天蛾個體各自聚為2 小支)。天蛾科首先分為2 大支A 和B。A 支包括六點天蛾屬Marumba,鬼臉天蛾屬Acherontia,大背天蛾屬Meganoton,白薯天蛾屬Agrius,霜天蛾屬Psilogramma,鋸翅天蛾屬Langia,星天蛾屬Dolbina,鷹翅天蛾屬Ambulyx,豆天蛾屬Clanis,構月天蛾屬Parum,錘天蛾屬Neogurelca,盾天蛾屬Phyllosphingia,其中大背天蛾屬,白薯天蛾屬,霜天蛾屬親緣關系較近,其余相互關系不明確。B 支分為2 小支,一支包括長喙天蛾屬Macroglossum,缺角天蛾屬Acosmeryx;另一支包括葡萄天蛾屬Ampelophaga,灰天蛾屬Acosmerycoides,背線天蛾屬Cechetra,斜紋天蛾屬Theretra,白肩天蛾屬Rhagastis,紅天蛾屬Deilephila。。

        圖2 基于COI 基因(658bp)的浙江北部及上海天蛾科昆蟲系統(tǒng)發(fā)育關系圖Figure 2 Phylogenetic relationship of Sphingidae from northern Zhejiang and Shanghai based on COI genes (658bp)

        3 結論與討論

        3.1 COI 用于物種鑒定的有效性

        Hebert 等在2003 年首次提出了DNA 條形碼的概念[18]。雖然DNA 條形碼的研究仍存在一定的爭議,但其在動物分類學中的研究已相對成熟,并將COI基因選取作為動物界標準鑒定基因。COI基因位于線粒體內(nèi),參與線粒體細胞色素C 氧化酶(Cytochrome C oxidase)第一亞基的編碼,未發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子。該基因理論上分布于一切有氧呼吸的真核生物體內(nèi),其遺傳模式呈典型的母系遺傳[19]。相對于12S 和16S 等mt-rDNA,COI基因具有較少的插入和缺失現(xiàn)象,分子進化形式以點突變?yōu)橹?,有利于提高序列比對結果的可靠性,對于區(qū)分屬以下的分類單元而言具有足夠的分辨能力。該技術在發(fā)現(xiàn)和描述新種或隱種、種類分子鑒定、系統(tǒng)發(fā)育等研究中廣泛應用[20]。在同種之間,COI基因序列幾乎一致,而不同種之間隨著親緣關系的疏遠而變異加大。徐淼鋒等通過測序進口水果中的幼蟲COI基因,發(fā)現(xiàn)其為蘋果異脛小卷蛾Cryptophlebia leucotreta[21]。陳秀潔等通過COI基因能夠很好地區(qū)分四種粘蟲Mythimna separata的近緣種[22]。和淑琪等利用COI基因對于新西蘭蘋淺褐卷蛾Epiphyas postvittana研究發(fā)現(xiàn),同種間序列差異小于3%[23]。陳珊等研究發(fā)現(xiàn)巨癤蝙蛾Phassus giganodus 的卵、幼蟲、成蟲的COI基因具有高度一致性[24]。本研究共計測序了32 種天蛾的94 個個體,同一物種間的COI基因幾乎一致,如大背天蛾指名亞種采集自浙江桐廬、天童山及清涼峰三個地區(qū),但其序列差異小于1%,進一步證實了COI基因用于鑒定動物物種的可靠性。

        3.2 通過COI 基因探討系統(tǒng)發(fā)育關系

        由于COI基因快速突變的特點,不少研究將其用于生物地理學或系統(tǒng)發(fā)育等相關研究。如李玉婷等基于COI基因研究發(fā)現(xiàn),其能夠較好地對蘋果蠹蛾Cydia pomonella的種群分化進行標記[25]。而盧慧通過COI基因對中國蛉蟋科Trigonidiidae 構建系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)現(xiàn),屬種水平上支持率較高,而高階上的支持率較低[26]。同樣,基于COI基因在對鱗翅目Lepidoptera、雙翅目Diptera、直翅目Orthoptera 等構建系統(tǒng)發(fā)育樹也發(fā)現(xiàn),同種及同屬間具有較高的支持度,而族、亞科等相互間的系統(tǒng)關系得不到很好的解析[27-30]。

        對于天蛾科昆蟲的系統(tǒng)發(fā)育研究主要體現(xiàn)在高級分類階元的劃分。在《動物志》中,中國天蛾科被劃分為5 亞科(面形天蛾亞科Acherontiinae、云紋天蛾亞科Ambulicinae、透翅天蛾亞科Sesiinae、蜂形天蛾亞科Philampelinae 和斜紋天蛾亞科Choerocampinae),而由Kawahara 等認為天蛾科分為長喙天蛾亞科Macroglossinae、目天蛾亞科Smerinthinae、天蛾亞科Sphinginae,蔣卓衡在對于中國長喙天蛾屬及斜紋天蛾屬研究中也參照此系統(tǒng)[31]。兩種分類系統(tǒng)之間,長喙天蛾亞科=蜂形天蛾亞科+斜紋天蛾亞科+透翅天蛾亞科,而Kawahara 的目天蛾亞科、天蛾亞科與《動物志》的蜂形天蛾亞科和斜紋天蛾亞科既有重疊的部分,又有相互矛盾的部分。

        本研究首次采用COI基因,對中國浙江北部地區(qū)及上海市的天蛾科系統(tǒng)發(fā)育進行了研究。在A 支中,兩種分類系統(tǒng)的分歧點是星天蛾屬的親緣關系問題。本研究結果顯示星天蛾屬更接近鋸翅天蛾屬、霜天蛾屬、白薯天蛾屬和大背天蛾屬,這與《動物志》中將這些歸為面形天蛾亞科更吻合。除上述5 屬外,其余屬無論在Kawahara的目天蛾亞科還是《動物志》的云紋天蛾亞科均為并系類群。最后,喜馬錘天蛾無論在上述2 個分類系統(tǒng)中均屬于B 支,但本研究結果支持其在A 支中。在B 支中,Kawahara 等將其全部歸為長喙天蛾亞科,而《動物志》將其分為斜紋天蛾亞科和蜂形天蛾亞科(本研究未涉及透翅天蛾亞科)。根據(jù)葡萄天蛾屬和灰天蛾屬的系統(tǒng)關系,《動物志》所提出的二亞科非單系群。

        綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)COI基因能夠很好地鑒定不同種類的天蛾,且不同產(chǎn)地的同一物種具有極高的序列相似性;系統(tǒng)發(fā)育結果表明天蛾分為2 大支,其分類結果各支持上述兩種分類系統(tǒng)的部分結果,但在A 支中屬與屬之間的拓撲結構的后驗概率均不高,不能很好地明晰各屬間相互關系,在今后的研究中應采用多基因建樹,或者系統(tǒng)發(fā)育基因組學對天蛾科的演化關系進行更為深入的研究。

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