日本蚱形态分化、遗传多样性与谱系生物地理学研究

摘要

日本蚱Tetrix japonica，隶属于昆虫纲Insecta直翅目Orthoptera蚱科Tetrigidae，是一种东亚广布的小型侏儒蚱，主要生活在溪边、路边和农田等有一定人为干扰的环境。日本蚱分布很广，但有关它的研究却不多，特别是其种群间的形态变异、种群结构及种群历史等鲜有报道。本论文采集了中国32个地理种群的日本蚱共739个个体(428个雌性和311个雄性)，采用传统形态测量学、几何形态测量学、分子生物学和统计学相结合的方法对日本蚱的形态变异、形态与环境因子之间的关系、遗传多样性、种群历史及谱系生物地理学等方面进行了较为系统的研究，结果如下:
　　在传统形态测量学研究中，测量了日本蚱体长(BL)、前胸背板长(PL)、前胸背板宽(PW)、后足腿节长(HFL)、前翅长(FW1)、前翅可见部分长(FW2)、前翅可见部分宽(FW3)和后翅长(HWL)共8个形态特征的线性特征值，同时，从DIVA-GIS中提取了每个种群的18个生物气候因子，对其进行描述性统计、相关分析、主成分分析、聚类分析、回归分析以及两两种群间的形态结构欧氏距离与地理距离之间的Mantel test。结果显示:1)日本蚱存在明显的性二型现象，雌性个体明显大于雄性;2)8个线性形态特征值两两之间均存在显著的正相关，且在32个地理种群之间存在显著差异;雌性变异最大的特征是FW2，达到10.14％，而雄性变异最大的则是HWL，达11.71％;雌性和雄性变异最小的特征均为HFL，分别为6.96％和7.05％;3)雌雄两性的8个线性特征值均提取了3个主成分(MPC)，分别代表体长大小(MPC1)、前翅大小(MPC2)和后翅大小(MPC3)，3个主成分累加解释雌雄总体方差的82.151％和85.148％;18个生物气候因子提取4个主成分(CPC)，分别代表最低气温(CPC1)、最少降水量(CPC2)、最高气气温(CPC3)和最大降水量主成分(CPC4)，解释总体方差的96.126％;4)线性形态特征主成分AHC聚类结果显示，雌雄日本蚱均聚为4类，未按分布形成明显的种群地理结构，其中ZJDC种群在两性中均为单独一类;5)日本蚱形态特征主成分与生物气候因子主成分之间的回归分析显示，雌性日本蚱身体大小与最低气温和最少降水量呈负相关，而雄性个体大小仅与最少降水量呈负相关，前翅大小仅与最大降水量呈正相关;6)雌雄的BL、PL和PW与纬度呈正相关，因此，体长和前胸背板大小随纬度的升高而增大，其身体大小符合贝格曼法则;7)Mantel test分析结果显示，雌性日本蚱的形态特征变异的欧氏距离与地理距离之间存在显著正相关(p＜0.001)，相关系数较小，而雄性则无显著相关(p=0.496)。
　　在几何形态测量学研究中，分别提取了日本蚱前胸背板背面(DP)、前胸背板侧片(LP)、前翅(FW)、后翅(Hw)和后足腿节(HF)这5个形态结构的46，16，55，21，45个标志点或者半标志点信息，采用XTSTAT2015、SPSS、MorphJ和PAST软件对数据进行聚类分析、形变分析和形态与生物气候因子的回归分析。结果显示:1)传统形态测量学和几何形态测量学揭示了一致的日本蚱种群结构;2)总体来看，基于5个形态特征的聚类结果均揭示日本蚱地理种群的混杂现象，种群未按地理分布形成明显的空间格局;3)浙江大陈岛种群(ZJDC)的前胸背板形态特化明显;基于前胸背板形态的聚类分析中，该种群均能单独聚为一类;4)形变分析显示，前胸背板(包括DP和LP)在种群之间分化明显，而FW、HW和HF分化不明显;5)前胸背板平均几何形态主成分与生物气候因子主成分的回归分析显示，雌性日本蚱的PC1_DP与CPC2存在显著的正相关，PC2LP与CPC1和CPC2之间存在显著正相关;雄性的前胸背板主成分与生物气候因子主成分之间没有显著相关性;6)Mantel test结果显示，除前翅以外，雌雄日本蚱种群间的形态分化欧氏距离与地理距离之间均存在显著正相关。
　　在分子生物学分析中，共获得日本蚱mtDNA COI序列(676bp)496条，ITS序列(483bp)463条和EF-1α序列(889bp)402条，并对序列进行了遗传多样性分析、中性检验、系统发生与种群历史分析，结果显示:1)日本蚱具有较高的遗传多样性，COI,ITS和EF-1α的总体平均单倍型多样性(Hd)、核苷酸多样性(π)和序列多样性(k)分别为0.9858，0.03和20.303;0.9797，0.039和17.456;0.9892，0.01和9.649;2)中性检验与歧点分析显示，COI的曲线明显呈光滑的单峰，总的Tajima's D和Fu'sFs为显著负值(-1.77和-34.14)，SSD和Raggedness为显著的较小值(0.001和0.001)，因此，COI序列支持日本蚱种群经历过快速扩张的历史;ITS和EF-1α序列也支持种群在历史上经历快速扩张的可能性很大;3)基于COI序列的种群历史动态分析结果显示，日本蚱在0.18Ma(95％CI:0.155-0.207Ma)开始种群快速扩张，到0.05Ma(95％CI:0.053-0.072Ma)种群大小趋于稳定，即在古乡冰期的MIS6阶段开始了种群快速扩张;4)AMOVA分析结果显示，COI和ITS序列61％遗传变异来自种群内部，而EF-1α序列种群间变异略大于种群内;5)日本蚱COI，ITS和EF-1α三个基因在不同种群之间的最小和最大种群遗传分化系数(FST)分别为0.0001(ZJZJ/GXLS)和0.803(ZJDC/AHGNJ),0.0041(GSTS/JXJGS)和0.891(HLJ/SCDJY),0.031(SXHP/SXTB)和0.942(HBBD/HNAH),Mantel test显示种群间遗传分化和基因流与地理距离之间无显著相关;6)单倍型系统发生(NJ，ML和Bayesian)与网络图显示，日本蚱单倍型没有按地理分布形成明显的空间格局;同一种群的单倍型散布在不同的分支中，即使有小的分支其节点的支持度也很低;7)日本蚱中国种群的最近共祖时间(TMRCA)为3.65Ma(95％CI:1.91-6.29Ma)。
　　综上所述，日本蚱体长存在明显的性二型现象，雌性个体大于雄性;个体大小分布符合贝格曼法则;种群间的形态分化主要发生在前胸背板，岛屿种群(ZJDC)分化明显;最低气温和最少降水量对日本蚱的形态有显著影响;传统形态测量学、几何形态测量学和分子序列均支持日本蚱中国种群无明显的地理种群结构，同时，3个基因均支持日本蚱的多地快速扩张;COI序列分析揭示日本蚱在0.18Ma(95％CI:0.155-0.207Ma)开始种群快速扩张;中国日本蚱的最近共祖时间为3.65Ma(95％CI:1.91-6.29Ma);结合日本蚱的生物学特性，推测被动扩散对日本蚱的种群结构影响较大。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1谱系生物地理学研究概述

1．1．1谱系生物地理学的发展与理论基础

1．1．2分子谱系生物地理学的发展与常用分子标记

1．1．3谱系生物地理的常见格局

1．2形态测量学与谱系生物地理学

1．2．1形态测量学的发展

1．2．2一维形态测量学与几何形态测量学的比较

1．3基因序列与谱系生物地理学

1．3．1 DNA标记

1．3．2线粒体基因特点及种群研究应用

1．3．3核基因特点及种群研究应用

1．4中国更新世冰期与昆虫

1．5日本蚱

1．5．1日本蚱研究概况

1．5．2选用日本蚱为研究对象的原因

1．6本研究设计

1．6．1研究目标

1．6．2研究内容

1．6．3主要的方法与技术路线

参考文献

第二章基于传统形态测量学的日本蚱谱系生物地理学及与生物气候因子的相关分析

2．1引言

2．2实验材料与统计分析

2．2．1标本采集与处理

2．2．2线性形态特征值的测量

2．2．3线性特征值的相关、PCA和聚类分析

2．2．4生物气候因子数据的获得、PCA和聚类分析

2．2．5线性形态特征值与生物气候因子的回归分析

2．3结果与分析

2．3．1线性形态特征值的相关性分析

2．3．2 8个线性形态特征值的方差与变异分析

2．3．3线性形态特征值的主成分与聚类分析

2．3．4生物气候因子的主成分分析与聚类分析

2．3．5形态与生物气候因子的相关分析

2．3．6线性形态特征值与纬度、海拔的相关分析

2．3．7形态变异与地理距离的Mantel test

2．4讨论

2．4．1日本蚱广布原因

2．4．2日本蚱体长和前胸背板大小与贝格曼法则

2．4．3．形态测量学与日本蚱种群

参考文献

第三章基于几何形态测量学的日本蚱形变与谱系地理结构

3．1引言

3．1．1几何形态学

3．1．2几何形态测量学的应用范围

3．1．3本研究的目的与意义

3．2材料与方法

3．2．1实验材料

3．2．2日本蚱标志点与半标志点坐标的提取

3．2．3几何形态特征值变化及与体长的相关分析

3．2．4主成分分析、聚类分析与多维尺度分析

3．2．5形变分析

3．2．6前胸背板与生物气候因子的相关分析

3．2．7几何形态差异与地理距离的Mantel test

3．3结果与分析

3．3．1形态结构的分化及与体长的相关分析

3．3．2几何形态中心值主成分与聚类分析

3．3．3整合数据的主成分、聚类与多维尺度分析

3．3．4几何形态测量数据主成分与形变分析

3．3．5．几何形态变异与地理距离的Mantel test

3．4讨论

3．4．1日本蚱5个几何形态测量结构与种群聚类

3．4．2传统和几何形态测量学与日本蚱种群

3．4．3生物气候因子与日本蚱形态结构的关系

参考文献

第四章基于DNA序列的日本蚱遗传多样性与种群历史

4．1引言

4．1．1谱系生物地理学与分子生物地理学

4．1．2谱系生物地理学的分子标记与种群结构模型

4．1．3日本蚱的种群研究现状与问题

4．1．4本章研究思路及目的

4．2材料与方法

4．2．1实验材料

4．2．2实验方法

4．2．3数据分析

4．3结果

4．3．1总DNA提取，PCR扩增与序列的碱基组成分析

4．3．2序列碱基组成与替换饱和度检测

4．3．3遗传多样性

4．3．4种群动态

4．3．5种群结构与谱系分析

4．3．6种群间长期基因流与最近共祖时间

4．4讨论

4．4．1分子与形态数据揭示日本蚱种群结构的异同

4．4．2日本蚱种群遗传结构

4．4．3冰期与日本蚱种群历史

参考文献

第五章结论

读博期间的科研成果

致谢