亚洲蝮属分子系统地理学研究

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系统地理学是研究谱系地理形成历史和过程的新领域,介于微观进化领域和宏观进化领域之间。作为生物地理学的一个分支,系统地理学已再不局限于解释现有种群的分布状况,而是进一步探究其分布起因,阐述其进化历程,分析类群在时间上和空间上的发展变化,从而重建生物区系的历史。随着系统地理学研究方法的拓展和分子生物学实验技术的渗透,出现了一门新的交叉学科——分子系统地理学。分子系统地理学主要采用分子生物学技术,从分子水平进行种群遗传结构分析和基因谱系重建,探讨物种的系统地理格局形成机制。并由此推断形成现有谱系遗传空间分布格局的演化事件,并结合已有的地质、气候变化资料来解释发生上述演化事件的地质历史原因,同时通过分子钟的估算又可以验证气候地质事件的年代。亚洲蝮属Gloydius是Hoge&Romano-Hoge (1981)以Gloydius halys为模式种建立的,主要分布于东亚、西亚和北亚。该属目前包括12种。在中国,亚洲蝮属蛇是一类分布广泛的毒蛇,除广东、香港、海南和台湾无记录外,其余各省均有分布。其生境复杂多样,既有平原、浅丘、低山,亦有荒漠和半荒漠,还有岛屿,甚至在高山高原草原也可见到它们的踪迹,是分子系统地理研究的理想类群。对亚洲蝮属以往的研究主要集中在分类,生态、进化等方面。郭鹏等(1998)研究了亚洲蝮属的系统分类,基于头骨比较讨论了7个种分类地位的有效性,以形态特征为基础建立了相关系统发生假说,把亚洲蝮属分为三个种组。然而,其他的学者提出不同的分类意见。各学者的分类标准导致不同的分类结果。本文主要基于中国亚洲蝮属的线粒体基因和核基因研究其系统分类、种间发育关系,探讨分子系统地理假说。本研究针对该属8个物种的19个组织样品,用酚氯仿的经典提法提取两个线粒体基因细胞色素B、脱氢酶亚基4,一个核基因cmos,分别用引物L14910/H16064, ND4/Leu和S77/S78通过聚合酶链反应扩增。在人工校对后,用ABI3730基因分析仪拼接正反链。所有的基因序列都在Mega4.0软件里用默认设置的ClusterW功能进行比对,并确保排除假基因。生成的序列数据与来自于Genban的日本蝮、短尾蝮、蛇岛蝮、哈里斯蝮数据合并分析。鉴于前期的基础工作,把莽山原矛头蝮、睫角蝮、竹叶青作为外群。分别用贝叶斯推断法、最大简约法、最大似然法进行系统分析。我们从GenBank下载了6个物种作为化石校正点和1个外群,基于与贝叶斯推断条件相同而得松散分子钟,运用程序BEAST v1.5.1(Drummond和Rambaut,2007)估算亚洲蝮属的起源时间。主要研究结果如下:1、在贝叶斯推断树里,所有的亚洲蝮属分支都以高分(100%)支持其单源性。在亚洲蝮属内部,短尾蝮、乌苏里蝮和日本蝮形成高支持率的单源种组。其中,乌苏里蝮和日本蝮显示为姐妹群,两者一起与短尾蝮形成姐妹关系。中介蝮、哈里斯蝮、岩栖蝮、蛇岛蝮、高原蝮和六盘山蝮以99%的高支持率形成单源种组。其中,中介蝮、哈里斯蝮、岩栖蝮和蛇岛蝮形成的亚枝支持率高达100%,岩栖蝮和蛇岛蝮形成姐妹群关系。但是,两支中介蝮却没有形成姐妹枝。所有系统发育树的拓扑结构基本一致,最主要的不同仅在于秦岭蝮、高原蝮、六盘山蝮的位置。2、三种不同方法得到相同的系统发育结论。分子数据显示的种间关系与之前郭鹏(2002)基于形态学的结论基本一致:短尾蝮、乌苏里蝮和日本蝮为一组,这组一般有中段背鳞21行和腭骨齿4枚,而中介蝮、哈里斯蝮、岩栖蝮和蛇岛蝮为一组,这组一般有中段背鳞23行和腭骨齿3枚。然而,高原蝮、秦岭蝮、六盘山蝮的种组,没有在本研究里得到印证。结合形态学和分子数据,本研究建议把秦岭腹和六盘山蝮列为有效种。然而,其系统发育关系需要进一步研究。3、通过Beast软件的分析,估算出的主要分歧时间如下:亚洲蝮属起源于约15百万年,属内分化始于约9.89百万年。乌苏里蝮和日本蝮的分化时间为3.3859百万年(置信区间1.0516-7.3285),两者与短尾蝮的分化时间为7.0874百万年(置信区间3.4216-12.6626);岩栖蝮和蛇岛蝮的分化时间为0.8589百万年(置信区间0.26-1.9854),两者与哈里斯蝮的分化时间为2.1366百万年(置信区间0.8678-4.29),三者与中介蝮的分化时间为2.7672百万年(置信区间1.2225-5.3621),高原蝮、秦岭腹、六盘山蝮的分化时间为5.774-7.7796百万年。4、估算出的分歧时间表明亚洲蝮属起源于第三纪中新世中期(约15百万年),属内分化始于中新世晚期(约9.89百万年),与郭鹏(2002)一致。而青藏高原在中新世(约25-10百万年)慢慢隆升,在上新世中期(约3.4百万年)迅速抬升(Sun,1997)。亚洲蝮属大部分分化时间与青藏高原隆升时段吻合,推测随着青藏高原的隆升,基因交流的物理障碍产生;伴随着气候波动和冰川周期,导致种群收缩和扩张,形成分化。
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