白星花金龟群体遗传结构与谱系生物地理学研究

来源 :河北农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:anjiulo
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白星花金龟Protaetia brevitarsis(Lewis,1879)是在我国广泛分布的重要农林害虫。随着全球气候变化,以及我国部分地区作物种植区域的扩大和农业模式的改变,其对部分农作物的为害有明显加重趋势。据悉,该虫已对新疆特色林果产业和传统农作物种植业造成了严重损失。为了摸清该害虫在我国的群体结构和谱系地理格局,防止其进一步扩散爆发成灾,并对未来可能成为其重点为害的区域做出预警。本文使用基于线粒体COI基因和核EF-1α基因的分子生物学手段、几何形态测量法和优化的最大熵(MaxEnt)生态位模型,对白星花金龟部分中国群体进行了综合性和系统性研究,结果如下:分子谱系地理学研究显示:1)白星花金龟中国群体整体具有较高的遗传多样性,188条COI基因序列共检测到71个单倍型,179条EF-1α基因序列共检测到44个单倍型,COI基因的总体单倍型多样度(Hd)、核苷酸多样性(π)和序列多样性(k)分别为0.942、0.015和10.012;EF-1α基因的分别为0.816、0.002和2.085。2)群体遗传结构表明,四川群体(SC)与其它各群体间两个基因的遗传距离和遗传分化系数(Fst)均较大,表现出了明显的遗传分化;新疆群体(XJ)与华北群体(HB)、黄淮群体(HH)间的共享单倍型数量最多;AMOVA分析结果显示,两个基因在群体间/群体内的变异百分比分别为22.34%/77.66%和9.53%/90.47%,群体内遗传变异水平远远高于群体间。3)基于COI基因单倍型系统发育树、网络图和基于分子进化速率推算的谱系分歧时间估计显示,白星花金龟中国群体存在明显的谱系分化,大约在1.093 Ma分化为两大支系,而一些地理距离相距较远的不同单倍型聚集在同一分支,显著分化的单倍型却在同一地理群体共存,表明白星花金龟中国群体的谱系地理结构复杂。4)基于COI和EF-1α基因的整体错配分布曲线均呈光滑的单峰分布,且中性检验值Tajima’s D和Fu’s Fs均为负值且显著偏离中性进化(Tajima’s D=-0.668和-1.975,Fu’s Fs=-24.217和-27.091,p<0.05),支持群体曾经历过群体扩张;基于COI基因的群体历史动态分析显示,白星花金龟中国群体在0.075-0.033 Ma末次间冰期(MIS5)经历了快速且持续的群体扩张,与基于COI基因推测的部分群体发生大规模长距离群体扩散的时间(0.096-0.028 Ma)相契合,表明当前复杂的谱系地理结构的形成可能与其多个地理群体的快速扩张而导致的大规模群体扩散有直接关系;5)基于COI基因的连续空间中的谱系地理扩散结果,推测新疆地区白星花金龟的来源,提出两种假说:1.白星花金龟新疆群体最晚于0.028 Ma由华北、黄淮群体经过多次主动扩散到新疆形成;2.随着新疆与我国东部地区农业贸易日益频繁,白星花金龟受人类活动影响被动扩散,从东部地区经多次被动扩散输送至新疆。基于白星花金龟前胸背板和鞘翅2个形态结构4个特征的二维几何形态学研究结果显示,4个形态特征的变化趋向展现的群体间的亲缘关系和群体结构存在差异。其中,各群体间的鞘翅白斑形变趋势差异程度表明,四川(SC)、华南(HN)群体与其余各群体间亲缘关系均较远,新疆(XJ)与除四川(SC)以外的其余群体亲缘关系均较近,与华北(HB)和黄淮(HH)群体亲缘关系最近,这与分子数据体现的结果较为相似。这表明基于鞘翅白斑的形变差异基本能够将四川(SC)和华南(HN)群体与其它群体分开,白星花金龟鞘翅白斑定量化的形变趋向,在一定程度上能够作为判断其不同地理群体亲缘关系远近的评价指标。基于MaxEnt模型对当前以及未来,不同气候情景模式下白星花金龟的潜在适生区进行了预测,优化的MaxEnt模型对白星花金龟适生区预测结果良好,可信度高。等温性、气温季节性变动系数、最湿季度平均温度、最暖季度平均温度、年降雨量和最干季度雨量6个环境变量因子对白星花金龟的潜在分布影响最大,其最适宜值分别为 20.8%、1500.0、26.5℃、26.5℃、890 mm 和 22.8 mm。从当前到 2060 年和 2080年的两个气候情景下,白星花金龟在中国的适生区质心先向东北移动,再向西移,东北和华北地区仍然有受到白星花金龟大规模为害的潜在风险;新疆地区可能有为害加重趋势;内蒙古中部地区可能成为新的重点受害区域,应该提前做好防范。
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