基于COI和Cyt b的中国茶翅蝽生物地理初探

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茶翅蝽Halyomorpha halys(St(a)l,1855)为异翅亚目(Heteroptera)、蝽科(Pentatomidae)、蝽亚科(Pentatominae)的一个常见种。广泛分布于我国、日本、韩国以及其他亚洲国家和地区,其体型和体色在种内变异较大,对一些重要的经济作物造成了严重的危害,因其入侵性强,已引起了世界范围的广泛关注。本研究试图通过分子数据进行茶翅蝽谱系地理学的探讨,并通过入侵地样本的分析初步探讨其入侵情况。   本研究广泛选取了中国地区茶翅蝽的30个地理种群,2个入侵地种群(美国纽约地区和瑞士苏黎世地区),总计257个样本,每个样本单独用于DNA的提取,通过PCR手段扩增线粒体基因,得到长度为866bp的COI基因片段和长度为654bp的Cytb基因片段,加上下载自GenBank的相关序列(韩国),共计258条样本的序列。将数据分为两类,一类数据只包括中国地区的样本,而另一类数据由中国地区样本和入侵地样本共同组成。对于中国地区样本,基于两个不同的分子标记单独构建其单倍型矩阵,并基于不同的算法分别单独构建系统发育树(Bayesian、MP、ML、NJ),结果显示,两种分子标记得到的系统发育树的拓扑结构非常相似,都在整体上分为两大支系,且两个支系均具有较高的节点支持率,支系Ⅰ只包括台湾地区的标本;中国其他地区样本共同构成支系Ⅱ。两大支系间不存在共享单倍型,且遗传距离较大,暗示了两大支系之间经历了较长期的独立进化历史。对于另外一个数据集,即包括入侵地样本和我国样本的数据集,得到的系统发育树结果显示,其拓扑结构与只用中国地区样本所得到的系统发育树并无差别,同样是分为两大支系,支系Ⅰ只包括台湾地区标本,国内其他地区样本与来自入侵地种群的样本共同构成支系Ⅱ,暗示了这两个入侵地种群的入侵来源很可能是中国大陆及海南地区,但由于本研究未能涵盖茶翅蝽原产地的全部范围,因此不能排除本研究中两个入侵地种群是由其他原产地地区(例如韩国、日本等)入侵形成的,但至少可以说明比起中国台湾地区,中国大陆及海南地区作为两个入侵地种群的入侵来源地的可能性更大。   谱系生物地理学的研究表明,30个地理种群的227个样本基于COI基因得到102个单倍型,基于Cyt b基因得到80个单倍型,两个分子标记都显示出较高的单倍型多样性Hd:0.8939(COI),Hd:0.776(Cytb)和较低的核苷酸多样性π:0.00474(COI),π:0.00462(Cytb)。这可能与茶翅蝽的进化历史相对较短或该种经历了近期从祖先种群的快速扩张有关。AMOVA分析结果表明,不论基于COI基因还是Cytb基因,遗传分化都主要来自两大支系之间,而两大支系内的种群间以及种群内部都存在较为自由的基因交流。中性检验中基于COI基因得到的结果Tajimas D为-2.21206(p<0.01),Fus Fs为-25.38024(p<0.001);基于Cyt b基因的结果为:Tajimas D为-2.26066(p<0.01),Fus Fs为-25.91844(p<0.001),结果显示均为显著地偏离中性进化,说明种群近期经历过快速的扩张。歧点分布分析得到的结果显示为平滑的单峰曲线,SSD和HRag的数值都小且不显著,说明本研究所用数据没有显著偏离预期模型,即种群经历了快速扩张,因此利用其得到的τ值2.64844(COI)、2.86523(Cyt b),并采用COI每百万年0.6%-1%的变异速率,Cyt b每百万年1.1-1.8%的变异速率进行分歧时间和扩张时间的估算。根据结果推算两大支系的分歧时间大约在6.83到2.72百万年前,可以推测两大支系的分歧早在台湾岛形成之初就已经形成,而此后的多次陆桥连接未能使两支系之间发生有效的基因交流。而估计大陆支系的扩张时间12.74万年到7.65万年之间(COI)、9.96万年到6.08万年之间(Cyt b),此时大约处于第四纪冰期的MS5(海洋氧同位素阶段-Marine OxygenIsotope Stage,MIS)时期,正是当时温暖湿润的气候条件使茶翅蝽的种群得以大规模扩张。   由于大陆海南地区内部没有明显的谱系地理结构,种群之间和种群内部均存在很高的基因交流,推测其存在多个避难所,但不同的避难所之间仍存在较高水平的基因交流。由此本研究根据生态位模型(ecological niche modeling,ENM)对茶翅蝽冰期时期的分布进行模拟,模拟结果与本研究的假设基本一致,即茶翅蝽在LGM(末次冰盛期-Last Glacial Maximum,LGM)冰期并没有形成明显的片段化分布,推测其基因交流也并没有因为分布于不同的避难所而受到阻隔,这可能也是导致茶翅蝽支系Ⅱ内部没有明显谱系地理结构的一个重要原因。   对于入侵地两个种群的研究表明,两个种群的遗传多样性都很低,这很可能是由于种群经历了奠基者效应或瓶颈效应。而基于单倍型结果的分析,来自美国纽约地区的种群15个样本都属于同一个单倍型(COI、Cyt b),这说明此种群很可能来自一个入侵地或者由一次入侵事件而形成;而来自瑞士的SCZ种群的15个样本属于3个(COI)或2个(Cyt b)单倍型,说明该种群很可能来自不同的入侵地或者由两次及多次独立入侵事件而形成,另外SCZ种群中的11个样本无论基于COI还是Cytb基因,都能与相同的其他地区的几个样本形成稳定共享单倍型,为初步分析其入侵来源提供了一定的线索,经过分析推测中国华北地区作为入侵源的可能性较大,但因本研究未能涵盖茶翅蝽分布地的全部范围,因此对于更加准确具体的推测需要进行更深入的研究。
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