基于无损伤取样的珍稀喙凤蝶属遗传多样性及分歧时间估计研究

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亚洲特有喙凤蝶属Teinopalpus仅记录有金斑喙凤蝶T.aureus、金带喙凤蝶T.imperialis两姊妹种,都是典型山地蝶种,它们生境要求特殊,野外罕见,保护、研究价值高。例如,金斑喙凤蝶被称为世界“三奇凤蝶”之一,两姊妹种均较早(1985年)被列入IUCN保护物种红色名录,也都被列入中国重点保护野生动物名录(一级或二级)。两姊妹种源自同一祖系,已被形态、分子方面证据证实,但关于两者种间关系仍存在一些疑点。如两姊妹种在地理空间上发生区重叠(如在广西、云南等地),且在云南东南部至越南北部山地等有并存发生点,而野外也记录到形态介于两者之间的杂合个体。不仅如此,两姊妹种种下分类也存在“过度亚种化”等问题、争议。因此,急需获得更广泛的遗传物质证据,系统求证喙凤蝶属两姊妹种的种间关系(如分类地位、物质分化等)与种下关系(亚种地位、亲缘地理等),并揭示该珍稀蝴蝶属、种的遗传结构、多样性水平与进化潜力,为今后保护遗传学研究奠定基础,也为蝴蝶物种保护、管理提供理论依据。与其他珍稀保护种一样,珍稀喙凤蝶的遗传分析研究也面临取样难问题。为此,我们首先尝试从幼虫排出的粪便、食刻叶面的吐丝、幼虫蜕皮留下的头壳、蜕以及蛹羽化后留下的蛹壳等无损伤材料中提取DNA,与从保护区保育饲养自然死亡个体肌肉组织提取的DNA质量对比,及线粒体分子标记法对比,验证无损伤法可行。之后,基于该方法,从近些年在各地采集的粪便、食刻、蛹壳等喙凤蝶两姊妹种无损伤材料中提取获得DNA,再应用PCR扩增技术,使用喙凤蝶属专用引物测定不同地理种群线粒体DNA序列。本次取样范围覆盖金斑喙凤蝶发生区(九连山、井冈山、武夷山等)、两姊妹种共存区(云南马鞍底等)、金带喙凤蝶发生区(四川雅安、广西岑王老山等),涉及12个地理发生点。在结合前期已有的6个发生点研究数据(来自周善义教授研究团队、NCBI数据库等),应用线粒体分子标记手段更系统地分析珍稀喙凤蝶属种间、种下遗传物质差异与变异;探讨遗传分化与亲缘地理关系;构建系统发育树,结合分子钟模型,探究珍稀喙凤蝶起源、扩散的分子证据,主要研究结果、相关结论如下:(1)开发了喙凤蝶无损伤DNA取样技术。通过改进DNA提取方法,分别从幼虫粪便、幼虫头壳与蜕皮、幼虫在食刻上留下的丝腺分泌物、羽化后的蛹壳等均成功获得DNA。尽管与饲养时新死幼虫肌肉材料相比,无损材料DNA浓度更低,但能满足线粒体分子标记要求,拼接获得完整环状序列,用于种间、种下遗传关系分析。本方法可推广应用到其他昆虫。(2)掌握了喙凤蝶属两姊妹种线粒体分子结构特征。测得金斑喙凤蝶线粒体基因组序列全长15228~15240bp之间,金带喙凤蝶线粒体基因组序列全15226~15256bp之间,均为闭合的环状分子结构。线粒体基因组的基因结构和排列顺序与其他蝶类昆虫大致相同,共37个基因,包含13个蛋白质编码基因(COI-III、ND1-6、ATP6、ATP8、Cytb、ND4L),2个r RNA基因(12s r RNA、16s r RNA),22个t RNA基因和一个非编码控制区(D-loop)。比较两个姊妹种的基因片段结构的种内变异,发现金斑喙凤蝶较金带喙凤蝶表现更明显,尤其是DYS、HN种群。发现ND4、ND5、16Sr RNA、12Sr RNA、D-loop在种间的结构变异表现更明显,可能更适用于种间遗传关系分析;而COI、COII、ND1、ND3、ND6、Cytb、ND4L等结构变异多在种内发生,可能更适用于种内的遗传分析。(3)基于线粒体分子标记揭示喙凤蝶属两姊妹种遗传多样性现状,推断种群历史动态。结果显示,珍稀喙凤蝶属物种核苷酸多样性总体偏低(π<0.005),尤其,金带喙凤蝶(π=0.0022)较金斑喙凤蝶的核苷酸多样性(π=0.0047)更低。然而,两姊妹种(金斑喙凤蝶为0.993,金带喙凤蝶为0.995)的单倍型多样性指数很高(>0.5),结合两个多样性指标,推测两种蝴蝶种群可能曾经历过瓶颈效应,之后则伴随了迅速的种群扩张与变异积累。而两姊妹种的中性检验(Tajima,s D、Fu,s Fs)结果均为负值,且未达显著水平,结合其呈多峰错配分布,则推测两姊妹种群体总体稳定,但可能存在低频多态性过多或净化选择。(4)基于线粒体分子标记揭示喙凤蝶属两姊妹种的遗传变异、分化及其地理种群间基因交流。合并基因序列的AMOVA分子方差分析结果显示,金斑喙凤蝶种群内变异率(63.19%)显著高于种群间变异率(36.81%),而金带喙凤蝶两者变异率相当,种群间变异率(53.3%)略高于种群内变异率(46.7%),意味着金斑喙凤蝶种群间基因交流相对更强,缩小了种群间的遗传差异,而却提高了种群内的遗传差异;金带喙凤蝶则反之。各配对地理种群的平均分化系数(Fst)与平均基因流指数(Nm)显示,金斑喙凤蝶除NL种群(Fst=0.069)分化弱而基因流强(Nm=-3.14)外,其他种群遗传分化均很强(Fst>0.25),但有一定基因流;然而,HN(Fst=0.615)、JGS(Fst=0.53)种群分化最大、且基因交流水平低(Nm<1),推测两个种群可能受遗传漂变驱使。而金带喙凤蝶各地理种群遗传分化均非常强(Fst>0.5),而MAD种群(Fst=0.82)与CWLS种群(Fst=0.73)分化最强、且基因流弱最弱(MAD:Nm=0.11;CWLS:Nm=0.2)。分析地理距离与遗传距离,发现金带喙凤蝶两者存在强相关性(Pearson’s r=0.73),而金斑喙凤蝶则为弱相关性(Pearson’s r=0.31),预示着金带喙凤蝶种群遗传分化可能主要受地理隔离驱使,而金斑喙凤蝶则除了地理隔离外,也深受其他因素(如寄主植物等)驱使。(5)基于两姊妹种18个地理种群线粒体基因的系统发育。结果显示两姊妹种属种关系明确,金斑喙凤蝶:BZS种群最先分化出来,单独成支;JGS种群与NL种群聚为姐妹群,并与WYL聚为一支,说明JGS与NL种群亲缘关系更近的;HN与YN种群聚为一支,但置信度低;WYS与PS种群、MHS种群聚为一支,且置信度高,说明WYS与MHS、PS种群亲缘关系可能较其他种群更近;DMS与DYS种群以高置信度聚为姐妹群后,再与JLS种群聚为一支,说明DMS、DYS、JLS亲缘关系更近。在金带喙凤蝶:CWLS与MYA种群单独成支,而LCS、JJS、GGS及MAD 4个种群聚为一支,说明除CWLS与MYA种群外,其余4个地理种群间亲缘关系较近。(6)基于分歧时间估计结果提出“金斑喙凤蝶更原始”的观点,与前期“金带喙凤蝶更原始”观点不同。而鉴于金斑喙凤蝶首先发生分化的BZS种群与金带喙凤蝶首先发生分化的CWLS种群都在广西、贵州交界的山区一带,且向云南延伸,因而推断喙凤蝶属物种分化中心在广西、贵州交界地带,而并非前期推断的“云南、四川起源中心”或“南岭起源中心”观点。喙凤蝶属的原始祖先可能于大排冰期在这一区域分化为两个不同种群,并向四周扩散、演化。
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