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瓢虫科Coccinellidae属于鞘翅目多食亚目polyphaga中的扁甲总科Cucujoidea。瓢虫科传统分类系统由于不同的分类学家对系统发育关系具有不同的观点到目前为止仍存在着差异,也因此而引起了许多的争论。我们目前所做的许多工作主要都是基于形态观察的数据。并且,瓢虫科中亚科和一些族之间的关系,过去很少用分子系统学的方法去进行研究。因此,本论文利用多个独立的基因序列特征重建瓢虫科的系统发育关系,以得到一个传统分类中属级以上的系统发育关系。
根据形态分类依据,选取十个族和六个亚科中的52种瓢虫用于本文的研究。28S,16S,细胞色素辅酶I(COI)和核糖体的第一插入区(ITS1)四个基因被选作遗传标志基因。由于ITS1基因表现出长度上的变异较大,因此不用于系统发育分析而仅单独用于基因的研究。
分别从49,47和40种瓢虫中扩增获得了28S,16S和COI基因片段。全部基因序列中都含有较多的简约信息特征。在所有检测的物种中,28S和16S都具有插入和缺失位点,16S的插入和缺失相对而言具有较多的插入和缺失位点,而作为编码蛋白的COI基因没有任何的插入和缺失。与之前的其它节肢动物序列相比,本实验所得的16S基因序列具有较高的AT含量,而较低的C含量。28S基因序列中的AT含量GC含量几乎相同。从序列的比对来看,28S是在所检测的基因中最保守的遗传标志,具有最多的保守位点。分析了三个基因中的转换与颠换频率,有16S基因中发生在AT间的颠换高于GT间的颠换。这可能与该基因发生了突变饱和有关。结果显示,28S基因由于未发现有突变饱和的现象,因此是最适合用于解决本研究中高级类群的系统发育关系。
偏斜检验和PTP检验的结果显示.该数据都含有较强的系统发育信号(P>0.01),以可用于系统发育的分析。但数据间的相容性分析,即PHT分析(Permutation Tail Probability)结果显示这三组基因序列是异质性的。但基于前人对高级分类单元的研究是同时运用这三组基因数据进行分析的,因此本论文也尝试单独运用各个基因数据和结合三个基因数据同时进行分析,以比较其结果的差异。
单独的数据分析显示,16S和COI基因序列所得的系统发育树含较低的信息和较低的支持率,而28S基因序列所得到的系统发育含较高的信息和较高的支持率。在16S和C01基因的拓朴图形中,瓢虫亚科的系统发育关系仅有支持率高低的不同。而在28S基因序列的分析结果中,瓢虫亚科分为两个主要的分枝,一个是Cocinellini族,另一个是Psylloborini族。在形态分类上属于Hippodamiini族的Hippodamia potanini,而与属于Psylloborini族的Harmonia属较近聚在一起。在28S基因序列的分析中,Bothrocalvia albolineata位于Psylloborini族中,并且具有较高的支持率。这与结合三个基因序列的分析结果不一致。可能是由于未能扩增到Bothrocalvia albolineata的16S和COI基因有关。Propylea japonica群无论是结合三个基因序列来分析或是单独三个基因序列分析结果都是与Lemnia结合在一起。根据28S基因的序列分析结果显示,Scymninae中的Stethorini族与Axinoscymnus属具有较近的亲缘关系。但由于未能扩增出Stethorini族其它基因,所以这一结果仍需要更进一步的研究。Scymninae亚科和Chilocorinae亚科之间的关系在线粒体基因16S与核糖体基因28S是相矛盾的,但Chilocorinae亚科先与Coccinellinae亚科共同组成一枝后再与Scymninae组成另一个进化枝具有较高的支持率。Coccidulini族与Ortaliini族组成一个单系,并获得较高的支持率。Ortaliini族与Epilachnini族具有较近的亲缘关系。Amida和Ortalia合并有一族具有较高的支持率。最大的族是Epilachninae亚科,与Coccinellinae亚科具有清晰的关系,这一结果解决了长期争论的问题。Henosepilachna与Epilachna不是单系。
基因序列具有高度的序列长短变异和位点的变异。在所研究的分类单元中,有十个物种的ITS1序列具有显著的简单重复序列,十七个物种具有较高相关简单因子。DOTPLOT分析结果图示了这些重复区。平均的显著简单重复(SSMs)主要以CGG,CGC,CGT和GAG模式为主。ITS1序列具有较高的GC含量。Coccidula rufa所含的SSMs具有较强的相关性,而Phaenochilus mesternalis具有弱的相关性。同时,SSM的图示表明ITS1的两侧序列特别是3’端序列中具有高的GC含量。