鞘翅目昆虫分子系统学研究概况

 摘要：文章对国内外鞘翅目分子系统学的研究现状进行了总结，对较为常用的线粒体和核基因分子标记的特点分别进行了阐述。
关键词：鞘翅目；分子系统学
中图分类号：Q969.48
全球已知鞘翅目种类36万余种，占全球已知昆虫总数的1/3，中国记载约1万余种。多年以来，甲虫的起源与系统进化、分类系统一直是昆虫学家热烈讨论的题目。鞘翅目昆虫数量众多，国内外学者对鞘翅目不同分类阶元的系统发育问题进行了广泛而深入的研究。
1 线粒体基因组
1.1 线粒体DNA的组成及其结构特征
鞘翅目昆虫线粒体DNA（mtDNA）的组成与其他的昆虫相同，是双链、闭合、环状的结构，大小为15.3-16.4kb，由13个蛋白编码基因、22个rRNA基因、2个rRNA基因和1个非编码的控制区（D-loop）组成。蛋白质编码基因分别是细胞色素b脱辅基酶（Cytb）、细胞色素c氧化酶亚基I、II、III（CO1、CO2、CO3）、NADH脱氢酶亚基1-6（ND1、ND2、ND3、ND4、 ND5、 ND 6）和4L（ND4L）及ATP合成酶亚基6和亚基8（ATPase 6和ATPase 8）。22个tRNA基因编码的氨基酸具体如图。
线粒体DNA作为系统发育分析具有提取方法简单、母系遗传及进化速度快的特点，因此线粒体基因特别适用于解决较低阶元的系统发育关系。
1.2 线粒体DNA在鞘翅目昆虫系统发育研究中的应用
    线粒体基因组中不同的基因在进化速率上存在差异，因此根据各个基因不同的进化速率，可以解决不同分类阶元上的系统发育问题。
Vogler和Welsh（1997）选择北美虎甲科具有代表性的Cicindela属23种昆虫及6个外群种，基于3段线粒体基因（Cytb、COIII及16SrRNA）共计1896bp长的片段重建Cicindela属系统发育关系。研究结果表明，分子系统学研究所得到的结果与前人基于生殖器结构的形态学分类结果基本一致，只是个别属的分类地位与传统形态分类学存在分歧。Cognato和Sperling （2000）利用长度为766bp的线粒体COI基因对小蠹科（Scolytidae）齿小蠹属（Ips）39种昆虫进行系统发育重建。研究结果表明当前基于形态分类的齿小蠹属并不是一个单系群，欧洲的齿小蠹属在系统树中也没有形成单系群，认为当前齿小蠹属的分类系统尚需修订。Gomez-Zurita等（2000）扩增了叶甲科（Chrysomelidae）无翅Timarcha属31个分类单元以及3个外群共54条序列的线粒体基因COⅡ和16SrDNA共1200bp长的片段，采用最大简约法和距离法进行了系统发育重建并对Timarcha属COⅡ基因的进化率进行了估计。认为应把食性变宽作为在Timarcha属研究系统发育和寄主植物的关系的起源性特征。Maus等（2001）利用长度为2022bp的线粒体COI和COII序列重建了鞘翅目Staphylinidae科Aleochara属50个个体的系统发育关系，结果支持Aleochara属为一个单系群，在这一单系群内又分为两个大的单系分支。Ribera等（2004）基于线粒体COI和16SrRNA基因部分序列对全北区水生甲虫Agabinae族中的四属共计107种昆虫进行系统发育分析，其中Ilybius属和Ilybiosoma属被很好的重建为单系群，而Platambus属并未被重建为单系群，Agabus属为并系群。最后从生物地理学角度对Agabinae族的种群形成和发展过程进行了推断。Martinez-Navarro等（2005）通过对步甲科（Carabidae）Harpalini族119种昆虫长度为759bp的COI序列进行测定及系统发育重建，对一直存在争议的Harpalini族系统发育关系的不同假说提供了分子证据。Forgie等（2006）基于线粒体COI和16SrRNA序列对金龟子科（Scarabaeidae）25种昆虫进行了系统发育分析，并结合216种形态学特征和3个生物学特性联合分析，对存在争议的Scarabaeus属的分类地位进行了重新确定，认为金龟子科昆虫的取食的特异性和食物重定位行为有多种起源。Kolsch和Pedersen（2008）对叶甲科水叶甲亚科（Donaciinae）46种昆虫线粒体COI和EF-1ɑ序列采用不同建树方法进行系统发育重建和分歧时间估计。系统发育树结果与传统分类结果一致，并推测出水叶甲亚科大约起源于距今7500-10000万年前，这个种群的首次分化发生在古新世（Palaeocene）。
国内研究方面利用线粒体基因部分序列对鞘翅目昆虫系统发育关系的研究较多。黄永成等（2001）对长蠹科（Bostrychidae）5种检疫性害虫长度为204bp的线粒体ND4基因序列进行测定，并将实验结果与形态学特征比较分析，探讨5个种及所在属的系统进化。刘晓丽和任国栋（2004）测定了9 种拟步甲的长度为435bp的16SrDNA部分基因序列，并与GenBank中的1种步甲的基因序列作同源性比较，计算其核苷酸使用频率并构建了分子系统树。付景和张迎春（2006）将采自西北地区的瓢虫科4亚科16种和从GenBank中检索到相关物种的线粒体COI基因序列片断进行同源性比较，计算核苷酸使用频率，并构建分子系统树。郑福山等（2007）通过对小萤叶甲属（Galerucinae）部分种类的线粒体COⅠ基因进行比较，探讨小萤叶甲属昆虫进化与寄主植物之间的关系，并对几种分类地位模糊的昆虫进行分析和归类。代金霞等（2008）测定了拟步甲科（Tenebrionidae）10种昆虫线粒体Cytb基因长度为579 bp的序列片段，结合Genbank中的赤拟粉甲（Tribolium castaneum）的同源序列进行了系统发育分析。吴卫和李冠（2010）利用线粒体Cyt b和12SrRNA基因的部分序列，采用最大简约法（MP）、最大似然法（ML）和贝叶斯推论法（BI）重建了新疆不同生境的10种萤叶甲亚科（Galerucinae）昆虫的系统发育关系。
2 核基因
2.1 核基因的组成及其结构特征
核糖体是主要的细胞器，担负着将信使RNA（messenger RNA，mRNA）翻译成蛋白质的功能，是合成蛋白质的“工厂”。核糖体由rRNA和蛋白质组成，rRNA在细胞内含量较高，约占总RNA含量的80-85%。rRNA既含有保守区域也含有变异较大的区域，所以其既可充当慢生物钟又可作为快生物钟。真核生物核糖体rRNA包括大小两个亚基。大亚基由28S、5.8S和5SrRNA组成，小亚基为18SrRNA。18S、28SrRNA和ITS的基因序列在昆虫分子系统学得到了广泛的应用。
Lin和Danforth（2004）利用贝叶斯法对7个目昆虫12组线粒体与核基因联合数据进行分析，结果表明核基因序列与线粒体基因相比具有以下优点：①核基因的进化速率低于线粒体，这使核基因成为解决分歧较远的分类单元间关系的较好的分子标记；②核基因构建的系统树通常具有较高的CI值，比线粒体更有助于对树的解析；③核基因碱基位点的变异速率有较高的同质性；④核基因的碱基替代速率比线粒体更均匀。该研究认为，昆虫分子系统学研究应该更加关注核基因数据而不是线粒体基因数据。当前，线粒体序列与核基因序列联合数据集重建系统发育关系已广泛的应用到昆虫分子系统学研究的各个领域中。
2.2 核基因在鞘翅目昆虫系统发育研究中的应用
核基因序列由于其进化速率慢的特点，在解决鞘翅目昆虫高级分类阶元系统发育关系的研究中得到了广泛的应用。
现生的甲虫是在二叠纪（Permian period）晚期和侏罗纪（Jurassic）早期分化形成的，根据其形态特征分为4个目，即原鞘亚目（Archostemata）、藻食亚目（Myxophaga）、肉食亚目（Adephaga）和多食亚目（Polyphaga），17总科，168科。关于鞘翅目4亚目之间的系统发育关系，存在以下几种假说：①多食亚目与藻食亚目是姐妹群（Crowson，1960，1975；Machatschke，1962；Klausnitzer，1975；Beutel，1997；Beutel和Hass，2000）；②肉食亚目与藻食亚目是姐妹群（Lawrence和Newton，1982；KokalovÀ-Peck和Lawrence，1993）；③多食亚目与肉食亚目是姐妹群（Shull et al.，2001；Caterino et al.，2002）；④原鞘亚目与肉食亚目是姐妹群, 藻食亚目与多食亚目是姐妹群（Baehr，1979）。分子系统学手段先后应用到这些假说的验证当中。Shull等（2001）根据18SrRNA基因全序列采用简约法、似然法及距离法重建肉食亚目39种及13种外群的系统发育关系，证明了第三种假说，即多食亚目和肉食亚目是姐妹群，藻食亚目位于系统树的基部。Caterino等（2002）基于18SrDNA全序列重建鞘翅目四亚目之间的系统树，结果认为鞘翅目不是单系群，多食亚目和肉食亚目是姐妹群，之后与藻食亚目形成单系群，而与原鞘亚目之间插入了双翅目（Diptera）和捻翅目（Strepsiptera）。也证明了第三种假说。Hughes等（2006）基于形态学和分子系统学的研究结果，证明了第一种假说。Hunt等（2007）对1880种鞘翅目甲虫采用核基因18SrRNA与线粒体基因16SrRNA和COI序列重建鞘翅目系统发育关系，结果也支持第一种假说。Farrell（1998）对鞘翅目115个个体联合核基因18SrRNA全序列和212个形态特征及化石资料探讨鞘翅目昆虫数量如此巨大的原因，推断认为是由于鞘翅目与被子植物协同进化与适应辐射引起的。Hunt等（2007）否定了Farrell（1998）对鞘翅目昆虫多样性成因的推断。认为，鞘翅目昆虫数量众多的原因是源于前白垩纪（Pre-Cretaceous）起源的100多个谱系的延续和其存在于多样的生态位(niches)之中。
此外，核基因序列也在研究中广泛使用。Kim等（2000）利用线粒体NADH脱氢酶亚基5（ND5）和核基因28S rRNA对步甲科（Carabidae）Leptocarabus属的14种昆虫进行形态多样分化类型分析。系统发育树将来自同一地区的不同种的昆虫聚为一个分支，同一种昆虫的不同地理种群分布在不同的分支中。对这种现象可能的解释是不同支系中的个体发生了形态学转化。Sota等（2005）采用2段线粒体基因（16SrRNA和ND5）与核基因烯醇丙酮酸磷酸羧激酶基因（PEPCK gene）并结合形态学数据对澳大利亚步甲科（Carabidae）Pamborus属14种昆虫及来自新西兰的2个外群种重建系统树，并进行了分歧时间估计。基于分子钟的研究结果，澳大利亚-新西兰种群和南极洲种群是在8500万年前发生的分化，Pamborus属是在渐新世（Oligocene）之后发生了分化。Sagemami-Oba等（2007）采用核基因28SrDNA部分序列探讨了叩甲科（Elateridae）9亚科的系统发育关系，解释了叩甲科昆虫生物发光特性的演化。认为叩甲科的祖先是不能发光的种类，后来逐渐分化出能够发光的类群。Sagemami-Oba等（2007）利用长度为1900bp的18SrDNA序列重建了花萤总科（Cantharoidea）内4亚科的系统发育关系，在与传统分类观点结果比较的基础上提出了花萤总科内各分支进化的新观点。Gómez-Zurita等（2007）对叶甲科（Chrysomelidae）主要支系的167种昆虫联合核基因大亚基28SrRNA和小亚基18SrRNA及线粒体16SrRNA共计长度超过3000bp的序列进行系统发育重建及分歧时间估计。结果显示，叶甲科起源于7300-7900万年前，这与化石确认的研究结果是一致的。Gómez-Zurita等（2007）采用2段线粒体（COI-COII、16SrRNA）和2段核基因（ITS、28SrRNA）序列重建叶甲科（Chrysomelidae）Crytonus属部分种类的系统发育关系，并结合该属的形态特征分析其进化历史。Gómez-Zurita等（2008）基于线粒体16SrRNA及核基因大亚基28SrRNA和小亚基18SrRNA总长约3000bp的序列对叶甲科（Chrysomelidae）167种昆虫进行系统发育重建，将叶甲科分为3个主要的分支。这一研究结果揭示了当联合分子和形态数据进行叶甲科系统发育分析时，形态学特征的趋同进化对所产生的结果有影响。Marvaldi等（2009）采用18SrDNA（V4-V5区与V7-V9区）和28SrDNA（D2区）序列对鞘翅目扁甲系（Cucujiformia）共计104种甲虫进行系统发育重建。结果证明了多食亚目（Phytophaga）的单系性，且象甲总科（Curculionoidea）和叶甲总科（Chrysomeloidea）为姐妹群。并建议18SrDNA和28SrDNA联合数据集是解决鞘翅目高级分类阶元间关系的有效分子标记。Ruiz等（2009）对步甲科（Carabidae）Sphodrini族采用线粒体COI与COII及核基因（EF-1ɑ，28S，18S）共计长约6400bp的片段重建系统发育树。Sphodrini族及外群Platynini、Pterostichini、和Zabrini三族分别构成单系分支。
国内利用核基因序列研究鞘翅目昆虫系统发育关系的研究较少。江世宏等（2009）通过对叩甲科（Elateridae）昆虫核糖体28SrDNA基因长度为890bp的片段序列进行比较，从分子水平研究叩甲科昆虫的系统发育关系，并与传统分类结果进行比较，为我国叩甲科分类系统的论证和进一步修订奠定基础。
作者简介：李爱林（1969-），男，吉林省磐石市细林林场助理工程师，研究方向：森林病虫害防治。