马尾松毛虫地理种群遗传分化和谱系地理学研究

发布时间：2020-06-01 05:43

【摘要】：马尾松毛虫Dendrolimuspunctatus Walker隶属于鳞翅目(Lepidoptera)枯叶蛾科(Lasiocampidae)松毛虫属(Dendrolimus),是我国危害最严重的森林害虫之一。马尾松毛虫广泛分布于我国秦岭淮河以南的各省、市、自治区,经常大面积爆发,严重影响林木生长发育。为了探讨马尾松毛虫地理种群间遗传结构、种群动态、起源及扩散,本研究从9个省份(湖北、湖南、江西、四川、重庆、贵州、广东、广西和安徽)收集了 15个地理种群的样本,每个种群3～4个样本,共计48个样本。实验采用两种分子标记方法进行分析,一种是核糖体DNA内部转录间隔区ITS1标记,另一种是线粒体基因标记;基于两种分子标记分析马尾松毛虫不同地理种群的遗传多样性、遗传分化及其系统发育。主要研究结果如下:1、松毛虫属ITS1序列及线粒体基因序列的测定:利用特异性引物对ITS1序列完成PCR扩增、测序,剔除测序失败的样本,整理去除两端测序不准的碱基后,最终获得42条ITS1序列片段,长652bp。采用高通量测序技术(Illumina HiSeq测序方法)获得了松毛虫属58条线粒体基因序列,其中马尾松毛虫44条,云南松毛虫2条,思茅松毛虫12条。云南松毛虫和思茅松毛虫线粒体序列用于松毛虫属内系统发育研究,另外云南松毛虫还作为马尾松毛虫不同地理种群系统发育的外群。2、马尾松毛虫线粒体基因组序列及其系统发育分析:马尾松毛虫线粒体基因组全长15417bp,A+T含量为79.6%,包括13个蛋白质编码基因,22个tRNA基因,2个rRNA基因和一段长度为320bp的A+T富集区,无基因重排。基于线粒体基因组的13个蛋白编码基因构建了鳞翅目蛾类13个科32种昆虫的系统发育关系。鳞翅目蛾类各科之间的系统发育关系为:((((((((毒蛾科+灯蛾科)+夜蛾科)+舟蛾科)+(尺蛾科+(蚕蛾科+(天蛾科+大蚕蛾科))))+枯叶蛾科)+(螟蛾科+草螟科))+卷蛾科)+蝙蝠蛾科)。松毛虫属内系统发育分析结果显示:马尾松毛虫与6种近缘种的系统发育关系为:(((((油松毛虫+文山松毛虫)+赤松毛虫)+落叶松毛虫)+(思茅松毛虫+云南松毛虫))+家蚕)。3、马尾松毛虫不同地理种群遗传多样性分析:在马尾松毛虫线粒体全基因组中挑选三个变异最快的基因序列(ND2-COX1-ND5),以下统称为组合基因。以ITS1和组合基因作为分子标记对9个省份采样点的马尾松毛虫种群进行遗传多样性分析。结果显示:两种分子标记均显示四川、广西、贵州种群有较高的遗传多样性,表明三者可能是祖先种群;湖南种群的单倍型多样性和核苷酸多样性均较低,可能是一个年轻种群,或刚经历过瓶颈效应;其他种群均呈现出高单倍型多样性和低核苷酸多样性,说明这些种群可能是由一个较小的有效种群入侵而快速增长形成的,进化历史较短,虽然通过变异积累了单倍型的多态性,但却还未能积累核苷酸序列的多样性,也证明这些种群是较年轻的种群。4、马尾松毛虫不同地理种群系统发育及遗传结构分析:基于马尾松毛虫ITS1序列采用邻接法(NJ)构建系统发育树。ITS1分子标记将马尾松毛虫种群分为两个大分支A和B,A分支以长江中下游平原种群为主,另包括贵州锦屏、广西桂林和四川达州的部分种群,分支内部没有显著地理支系;B分支包括四川盆地种群、广西百色和广东罗定种群,三个种群各自聚类。遗传结构分析显示,A分支内部遗传分化系数FST较小,有较大的基因流,B分支内部遗传分化系数FST较大,缺乏基因交流,遗传分化明显。舍弃由于测序失败导致样本量不足的种群,剩余12个地理种群,根据系统发育分析将其分为3大群组,湖北大悟、湖北黄冈、湖南郴州、湖南东安、江西于都和安徽种群为一组,四川达州、四川宜宾、重庆南川和贵州锦屏种群为一组,广东罗定种群与广西百色种群为一组。对3大群组进行AMOVA分析,结果显示,3大群组间的遗传变异占54.73%,3大种群内部不同地理种群间的遗传变异仅占7.05%,另外38.22%的遗传差异来自地理种群内部个体间。基于马尾松毛虫线粒体基因组标记,分别构建NJ和贝叶斯系统发育树。系统发育分析将马尾松毛虫种群分为四大分支:A支是以湖北、湖南、江西和安徽为主的长江中下游平原地理种群(D.pun HBDW,D.pun HBHA,D.pun HNCZ,D.pun HNDA,D.pun JXYD,D.pun JXXG,Dpun AHHF),外加广西桂林种群(D.pun GXGL)和贵州种群(D.pun GZJP)的部分样本;广东罗定种群(D.pun GDLD)以100的支持率聚为B支;C支是以四川盆地为主的地理种群(D.pun.CQNC,D.pun.CQYB,D.pun.SCDZ),外加贵州锦屏(D.pun GZJP)种群的两个样本和湖南东安(D.pun HNDA)的一个样本;D支为广西百色(D.pun GXBS)和四川宜宾(D.pun SCYB)种群。遗传结构分析显示,四大分支除了D分支外,其他分支内部遗传分化水平相对较低,A支内部遗传分化水平最低。根据系统发育分析结果和地理位置将马尾松毛虫分为2大群组,长江中下游平原种群和贵州锦屏种群为一组,四川盆地种群、广东和广西种群为一组,对其进行AMOVA分析,结果显示马尾松毛虫种群内的遗传分化很高,大部分分布在地理种群个体间。综合两种分子标记的分析结果表明马尾松毛虫种群初步具有相对独立的地理分布,各大群组代表不同的遗传谱系,各自独立进化。同时地理种群内部个体间也存在明显的遗传分化。马尾松毛虫地理种群历史动态研究和溯祖时间分析:基于两种分子标记(ITS1和组合基因)分析马尾松毛虫种群的Tajima's D和Fu's Fs值,结果均显示马尾松毛虫种群近期经历过种群扩张。BSP分析结果显示在较长的一段时间里马尾松毛虫种群处于稳定状态,直到距今10万年前,马尾松毛虫种群开始急剧扩张。对马尾松毛虫不同地理种群的溯祖分析显示马尾松毛虫分歧开始于34.74万年前(95%HPD:38.92～30.58万年前),对应中国第四纪冰期的庐山冰期(37～24万年前),大规模的分歧开始于10～7万年前,与BSP分析结果相吻合。综合遗传多样性分析、系统发育分析和溯祖时间分析,初步推测,四川宜宾和广西百色种群可能是马尾松毛虫在庐山冰期时的避难所,也是庐山冰期后的扩散起点。马尾松毛虫种群经历了冰期-间冰期的冷暖交替,两个起源地种群自西向东开始扩散,四川宜宾种群经贵州向长江中下游平原地区扩散,广西种群向东扩散到广东地区。综上所述,本研究基于核基因和线粒体基因两种标记首次对马尾松毛虫不同地理种群的遗传结构、种群动态、起源及扩散进行研究,揭示了马尾松毛虫的起源和分化状况,为分析其适应性进化、制定相应的精准防控措施等提供了分子理论依据。
【图文】：

序列,马尾松毛虫,紫色,间隔区

因间隔区有１７处，共２０１ｂｐ，ｔｍＱ和ＮＤ２之间间隔最长为５８ｂｐ，其次是ｔｍＹ和ＣＯＸ１逡逑；基因重叠有７处，共２３ｂｐ，最长一处位于ｔｍＷ和ｔｍＣ之间，重叠序列为８ｂｐ；既无逡逑重叠又无间隔的区域共有１３处。马尾松毛虫的基因结构及顺序见图２－１及表２－２。逡逑－９－逡逑

马尾松毛虫,二级结构,错配

２．４．１．３邋ｔＲＮＡ基因及ｒＲＮＡ基因的结构分析逡逑马尾松毛虫线粒体基因组一共检测到２２个ｔＲＮＡ基因，Ａ＋Ｔ的含量为８０．９％，逡逑ｔＲＮＡ基因的长度在６１－７１ｂｐ间。其中亮氨酸和丝氨酸均包含两组同功受体。根据逡逑ｔＲＮＡＳｃａｎ－ＳＥ的预测及辅助人工校正的方法，对马尾松毛虫线粒体基因组ｔＲＮＡ的二级逡逑结构进行分析。２２个ｔＲＮＡ基因中，，２１个可以形成常规的三叶草结构，而ｔＲＮＡＳＣＴ（Ａ0Ｎ）逡逑因缺ＤＨＵ臂而无法形成典型的ｔＲＮＡ二级结构（图２－３）。在马尾松毛虫线粒体基因组逡逑２２个基因的二级结构中出现了邋２２对碱基错配现象，其中Ｇ－Ｕ错１６个，Ｕ－Ｕ错配４个逡逑，Ｕ－Ｃ和Ａ－Ｃ错配各１个。Ａ－Ｃ错配出现在ｔＲＮＡＳＣＴ（ＧＣＴ）的反密码子臂上，Ｕ－Ｃ错配出逡逑现在ｔＲＮＡＴｈｒ（ＴＧＴ）的ＴＹＣ臂上，４个Ｕ－Ｕ错配分别位于ｔＲＮＡｃｙｓ（ＧＣＡ）的ＴＴＣ臂以及逡逑ｔＲＮＡＬｅｕ（ＴＡＡ）、ｔＲＮＡＳｅｉ＜ＴＧＡ）和ｔＲＮＡＡｌａ（ＴＧＣ）的氨基酸接受臂上。１７个Ｇ－Ｕ错配在氨基酸逡逑接受臂、ＴＴＣ臂、二氢尿嘧啶臂和反密码子臂上均有出现。这些错配是符合摆动配对原逡逑则的，对维持ｔＲＮＡ二级结构的稳定起着重要的作用。逡逑ｒＲＮＡ基因是一类相对分子量较大的ＲＮＡ基因，可与蛋白质结合形成核糖体。马逡逑尾松毛虫线粒体的核糖体小亚基ｒｍＳ基因和核糖体大亚基ｒｍＬ基因的长度分别是７７９ｂｐ逡逑
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S763.421

【参考文献】