基本信息
- 項目名稱：
- 我國雉科特有屬鳥類的分子系統(tǒng)發(fā)生研究
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 為研究我國雉科（Phasianidae）4個特有屬，雉鶉屬（Tetraophasis）、血雉屬（Ithaginis）、馬雞屬（Crossoptilon）和錦雞屬（Chrysolophus）的系統(tǒng)發(fā)生，本作品采用PCR-直接測序的方法分析我國雉科15個屬鳥類線粒體DNA控制區(qū)1070bp序列，共發(fā)現(xiàn)376個變異位點，其中簡約信息位點345個。15個屬間，錦雞屬和雉屬(Phasianus)的遺傳距離最小，0.067；山鶉屬(Perdix)和竹雞屬間(Bambusicola)的最大，0.081 。所有的屬在系統(tǒng)發(fā)生樹中聚成兩個明顯的分支，其中山鶉屬為單獨一支。4個特有屬的近緣屬分別是虹雉屬(Lophophorus)、角雉屬(Tragopan)、鷴屬和雉屬(Lophura)。根據(jù)分子鐘計算，它們大約在4.00~5.00百萬年前分歧進化。依化石和地理分布，我國4個特有屬可能起源于西南山地。
- 詳細介紹：
- 1、材料和方法 1.1實驗材料 本文共分析了我國雉科15屬30個種，其中16個種的序列來自GenBank。黑鳳冠雉（Crax alector，GenBank 序列號 AY145315） 和肉垂鳳冠雉（Crax globulosa，AY145316）用做外群。 1. 2 DNA 提取，PCR 反應和DNA 測序 采用乙醇沉淀法提取總DNA。用特異性引物PHDL（5′-AGG ACT ACG GCT TGA AAA GC-3′）和 PHDH（5ˊ-CAT CTT GGC ATC TTC AGT GCC-3ˊ）（Randi & Lucchini，1998）進行PCR反應，體積為35?l，反應液中含10 mmol/L Tris-HCl（pH 8.3），50mmol/L KCl，1.5mmol/L MgCl2，Taq酶1U（Sangon），4種dNTP各150?mol/L，2個引物各10 pmol/L，DNA模板約100ng。反應在PE2400儀上進行。循環(huán)參數(shù)為95℃預變性4min，然后95℃變性40s，55℃?58℃復性40s，72℃延伸60s，共35個循環(huán)，最后72℃ 10min延伸補齊。提取和擴增都設空白對照，并用1%的瓊脂糖電泳檢測。擴增產物用WizardTM PCR Preps DNA 純化試劑盒（Promega公司）純化，然后在ABI 377基因分析儀上進行雙向測序。測序分析由北京諾賽公司和上海生工公司完成。DNA序列已全部登錄在GenBank中。 1.3 序列分析 用Clustal W程序（Thompson et al，1997）對DNA序列進行對位排列，并經人工仔細核查。然后用DnaSP4.0（Rozas et al，2003）確定變異位點和遺傳分化（χ2）；用MEGA4.0軟件（Tamura et al，2007）計算堿基組成。采用Modeltest 3.0（Posada & Crandall，1998）計算最優(yōu)分析模型，再用Arlequin2.0（Schneider et al，2002）分析遺傳距離。采用最大似然法Maximum likelihood tree（ML，Strimmer & Haeseler，1996）重建系統(tǒng)發(fā)生樹，并用自舉檢驗（BP，F(xiàn)elsenstein，1985）計算系統(tǒng)樹中結點的置信值。 2、結果 用Clustal W軟件進行對位排列和剪切對齊后，共得到雉科15屬鳥類線粒體DNA控制區(qū)同源序列1070bp，平均堿基含量是24.8%A，33.3%T，15.3%G和26.6% C，A和T的含量超過50%，這與mtDNA控制區(qū)是“A和T豐富區(qū)”一致。序列比對共發(fā)現(xiàn)376個變異位點，其中簡約信息位點345個，占序列長度的32.24%。15個屬的遺傳分化極其顯著（χ2= 910.000，p<0.001）。 用Modeltest 3.0分析得出最優(yōu)分析模型TrN+I+G（-lnL=11506.10），根據(jù)此模型構建最大似然樹。系統(tǒng)樹上主要分支的支持率都超50%。在系統(tǒng)發(fā)生樹中，15個屬聚成兩支A和B（BP=100%）。兩者之間的遺傳距離是0.160。15個屬間遺傳距離最小的是錦雞屬和雉屬（Phasianus），僅0.067；最大的是山鶉屬和竹雞屬（Bambusicola），達0.181，是前者的近三倍。 分支A僅包括山鶉屬；分支B包含其它14個屬，又可分為3個亞支（B1，B2和B3）。馬雞屬、鷴屬（Lophura）、雉屬、錦雞屬、長尾雉屬（Syrmaticus）和勺雞屬（Pucrasia）屬于一個亞支B1；另一個亞支B2包括角雉屬（Tragopan）、血雉屬、雉鶉屬和虹雉屬（Lophophorus）；B3則包括原雞屬（Gallus）、竹雞屬和鵪鶉屬（Coturnix）。從聚類關系可以看出，馬雞屬、錦雞屬、雉鶉屬和血雉屬的近緣屬分別是鷴屬、雉屬、虹雉屬和角雉屬，它們間的遺傳距離分別是0.070、0.067、0.078和0.086。 3、討論 屬是分類學研究中的一個重要分類階元，它是指關系密切的種的集合。屬作為進化的單位，可以從遺傳和系統(tǒng)發(fā)生等方面進行分析。屬級單位的遺傳可以從宏觀和微觀兩方面測度，宏觀上是指形態(tài)相似性，這是傳統(tǒng)分類研究的主要依據(jù)；微觀上則以遺傳標記如物種間蛋白質的比較、染色體的比較、核酸的比較來識別遺傳差異，這是分子系統(tǒng)學的主要研究內容（江建平和周開亞，2001）。本文研究了雉科15個屬之間mtDNA控制區(qū)基因的遺傳距離，各屬內物種間的遺傳距離明顯小于各屬與屬之間的遺傳距離，表明這些屬是不同的遺傳單位，與形態(tài)一致。 山鶉屬的分類地位一直存在爭議（Kimball et al，1999；文隴英等，2005）。傳統(tǒng)上，根據(jù)形態(tài)特征山鶉被認為是鶉類（鄭作新，1978），但Randi et al（1991）用多位點蛋白電泳技術研究發(fā)現(xiàn)它與齒鶉屬（Colinus）、石雞屬（Alectoris）的關系較遠，而與環(huán)頸雉（Phasianus colchicus）更近，認為山鶉屬于“小雉”（small pheasant）。文隴英等（2005）用線粒體DNA細胞色素b基因研究認為斑翅山鶉（Perdix dauuricae）是雉類。也有一些人發(fā)現(xiàn)山鶉屬與珠雞屬（Meleagris）是近緣屬（Pereira & Baker，2006；Lucchini & Randi，1999；Crowe et al，2006），但山鶉和珠雞的形態(tài)、行為特征和地理分布差異非常大。最近Kriegs et al（2007）認為山鶉和錦雞是近緣類群。線粒體DNA控制區(qū)基因數(shù)據(jù)表明斑翅山鶉和灰山鶉（Perdix perdix）單獨聚成一支A，可見山鶉不屬于鶉類，而可能是雉科鳥類的祖先類群。 有關雉科鳥類的分子系統(tǒng)發(fā)生研究非常多（Kimball et al，1999；Armstrong et al，2001；Dimcheff et al，2002；Dyke et al，2003；Pereira & Baker，2006；Crowe et al，2006；Kimball & Braun，2008；包新康等，2008），但結果差異很大，原因是多方面的。首先是方法存在差異，如遺傳標記不一樣；其次是鳥類中雜交非常普通，特別是雞形目鳥類中有近20%的種類間可以雜交（Grant & Grant，1992），而且其屬間鳥類也可以雜交（Peterle，1951；Grant & Grant，1992）。這對重建雉科鳥類系統(tǒng)發(fā)生樹帶來了很大困難（Grant & Grant，1992）。 線粒體DNA控制區(qū)基因支持馬雞屬、鷴屬、雉屬和錦雞屬是一個進化支，這與其形態(tài)和行為特征一致。這4個屬是典型的雉類（鄭作新，1978）。這些屬兩性異型，雄鳥都有長尾和羽冠。行為上，這些鳥類都是一雄多雌，雄鳥不孵育后代。很多研究都支持錦雞屬和雉屬是近緣屬（Lucchini & Randi，1999；Kimball & Braun，2008），我們的結果與其一致，但一些研究也發(fā)現(xiàn)雉屬與長尾雉聚在一起（Bush & Strobeck，2003；Crowe et al，2006）。 在系統(tǒng)發(fā)生樹上，角雉屬、血雉屬、雉鶉屬和虹雉屬聚成一個亞支，其中雉鶉屬與虹雉屬、角雉屬與血雉屬分別聚在一起，這與其形態(tài)特征不一致。雉鶉和血雉是兩性同型，被認為是鶉類；而虹雉和角雉是兩性異型，被認為是雉類（鄭作新，1978）。Kimball et al（1999）認為“雉”和“鶉”兩個術語可能僅適用于雞形目鳥類的行為和形態(tài)特征，并不能反應它們的進化歷史。表型是基因型與環(huán)境相互作用的產物，親緣關系相近的類群，在不同環(huán)境條件下發(fā)育，可能出現(xiàn)顯著的表型差異，給分類和譜系分析帶來很多困難和不確定性（Zhang，1998）。 鳥類線粒體DNA的分子鐘一直存在較大爭議。由于動物線粒體DNA控制區(qū)各區(qū)變異速率不同，很難給定一個準確而恒定的分子進化速率（Loewe & Scherer，1997）。我們借用石雞（Alectoris chukar）和大石雞（A. magna）mtDNA控制區(qū)同源序列的進化速率來計算分歧時間。兩種石雞的分歧時間是1.90百萬年（Randi，1996；Randi & Lucchini，1998），兩種石雞的遺傳距離為0.038，其進化速率是1.63%/百萬年。依此速率計算，4個特有屬與近緣屬鳥類的分歧時間大約在4.00～5.00百萬年以前，對應于上新世。我們共分析了15個屬30個種，屬間的平均遺傳距離是0.129，錦雞屬和雉屬間的最小，0.067；山鶉屬和珠雞屬的最大，0.181。種間的平均遺傳距離是0.046，白頸長尾雉和黑頸長尾雉的最小，0.020；黃腹角雉和紅胸角雉的最大，0.066。一個令人驚奇的結果是藍馬雞和褐馬雞間遺傳距離僅0.0024；吳愛平等（2005）和Bush & Strobeck（2003）還發(fā)現(xiàn)這兩個種具有相同的線粒體DNA細胞色素b基因。是因為雜交還是其他原因值得研究。根據(jù)分子鐘計算，雉科鳥類屬間和種間的分歧進化主要發(fā)生在上新世中期和更新世，這與雞形目松雞科的類似（Lucchini et al，2001）。更新世冰期間冰期的交替發(fā)生被認為在引起雉科鳥類物種形成方面起了重要作用（Randi，1996；Randi et al，2000）。我國雉科鳥類的進化可能受喜馬拉雅山隆升和更新世氣候變化的影響（Randi et al， 2000； Lei & Lu，2006；劉迺發(fā)和黃族豪，2007）。 在我國西南山地發(fā)現(xiàn)馬雞屬和錦雞屬更新世化石（Wetmore，1934）。西南地區(qū)地形復雜，氣候多樣，普遍認為該地區(qū)是許多動物的分布中心、起源地和冰期避難所，特別是許多雉科鳥類的起源地（Johnsgard，1999）。這個地區(qū)是我國雉科4個特有屬的分布中心。上新世以前，它們可能廣泛分布印度大陸和我國西南部和南部。到上新世時，其祖先種群被隔離在不同山地，形成不同屬。4個屬外形差異明顯可能是適應輻射的結果。根據(jù)分子系統(tǒng)發(fā)生、化石和地理分布，4個屬可能起源于我國西南山地。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：通過用PCR-直接測序的方法，以mtDNA控制區(qū)基因為遺傳標記，研究我國雉科4個特有屬的系統(tǒng)發(fā)生并探討其物種起源。 基本思路：①取樣：在野外或動物園收集樣品。②DNA提取及測序：采用乙醇沉淀法提取總DNA，利用PCR-直接測序的方法進行測序，并從GenBank下載部分種類的同源序列。③序列分析：利用分子生物學軟件進行序列分析，計算變異位點和遺傳距離等參數(shù)，構建系統(tǒng)發(fā)生樹。
科學性、先進性及獨特之處
- 分子生物學已經成為研究動物分類和系統(tǒng)進化必不可少的技術手段。雖然雉科鳥類的分子系統(tǒng)發(fā)生研究比較多，但一些屬的分類地位一直存在爭議，有關我國4個特有屬的系統(tǒng)發(fā)生未見系統(tǒng)研究。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 雉科鳥類擁有眾多著名的珍稀瀕危鳥類，具有重要經濟價值和科研價值。本文用PCR-直接測序的方法，從分子水平研究我國雉科特有屬的分子系統(tǒng)發(fā)生，為我國雉科鳥類的系統(tǒng)發(fā)生和起源進化提供了分子證據(jù)。 特有類群對評估生物多樣性非常重要。在保護生物學中特有類群應該優(yōu)先選擇，并且要重點考慮特有類群的進化歷史（雷富民和盧汰春，2006）。因此本文的研究同時可以為我國雉科鳥類的保護提供依據(jù)。
學術論文摘要
- 為了研究我國雉科（Phasianidae）4個特有屬（雉鶉屬（Tetraophasis）、血雉屬（Ithaginis）、馬雞屬（Crossoptilon）和錦雞屬（Chrysolophus））的系統(tǒng)發(fā)生，本文用PCR-直接測序的方法分析我國雉科15個屬鳥類線粒體DNA控制區(qū)1070bp序列，共發(fā)現(xiàn)376個變異位點，其中簡約信息位點345個。15個屬間，錦雞屬和雉屬的遺傳距離最小，0.067；山鶉屬和竹雞屬間的最大，0.181。所有的屬在系統(tǒng)發(fā)生樹聚成兩個明顯的分支，其中山鶉屬為單獨一支。4個特有屬的近緣屬分別是虹雉屬、角雉屬、鷴屬和雉屬，根據(jù)分子鐘計算，它們大約在4.00～5.00百萬年前分歧進化。根據(jù)化石和地理分布，這些特有屬可能起源于我國西南山地。
獲獎情況
- 1. 鳥類線粒體DNA控制區(qū)研究進展. 安徽農業(yè)科學,2009,37(8):3427-3428. 2. 2009. 動物線粒體基因組大小研究進展. 四川動物(accepted).
鑒定結果
參考文獻
- 1．鄭作新. 1978. 中國動物志鳥綱第四卷—雞形目. 北京:科學出版社. 2．包新康, 劉迺發(fā),顧海軍,周曉雯. 2008. 雞形目鳥類系統(tǒng)發(fā)生研究現(xiàn)狀. 動物分類學報, 33(4):720-732. 3. 黃族豪,龍進,張立勛,劉重斌,劉迺發(fā). 2006. 從線粒體DNA控制區(qū)探討紅腹錦雞和白腹錦雞的分類關系. 江西師范大學學報,30(1): 91-94. 4. Huang ZH, Liu NF, Luo SX, Long J. 2007. Phylogeography of rusty-necklaced partridge (Alectoris magna) in northwestern China. Molecular Phylogenetics and Evolution, 43:379-385. 5. Kimball RT, Braun EL, Zwartjes PW, Crowe TM, Ligon JD. 1999. A molecular phylogeny of the pheasants and partridges suggests that these lineages are not monophyletic. Molecular Phylogenetics and Evolution, 11:38-54. 6. Randi E, Lucchini V. 1998. Organization and evolution of the mitochondrial DNA control region in the avian genus Alectoris. Journal of Molecular Evolution, 47:449-462. 7. Bush KL, Strobeck C. 2003. Phylogenetic relationships of the Phasianidae reveals possible non-pheasant taxa. Journal of Heredity, 94:472-489.
同類課題研究水平概述
- 我國雉科鳥類共有4個特有屬：雉鶉屬、血雉屬、馬雞屬和錦雞屬（雷富民和盧汰春，2006）。有關這些屬的分類地位一直存在一些爭議。雉鶉屬和血雉屬鳥類都是兩性同型，羽毛顏色暗淡，屬于鶉類；根據(jù)形態(tài)和行為特征，馬雞屬和錦雞屬被認為是典型的雉類（鄭作新，1978）。然而，一些分子生物學研究（如線粒體DNA 細胞色素b基因）并不完全支持這些結論（Kimball et al，1999；Crowe et al，2006）。雉科鳥類的分子系統(tǒng)發(fā)生研究非常多（Kimball et al，1999；Kimball et al，2001；Dimcheff et al，2002；Bush & Strobeck，2003；Dyke et al，2003；Crowe et al，2006；Pereira & Baker，2006；Kaiser et al，2007；Kriegs et al，2007；Kimball & Braun，2008；Meng et al，2008），但結果不盡相同。Kimball and Braun（2008）指出雉科許多屬的分類地位存在疑問。有關中國4個特有屬的系統(tǒng)發(fā)生未見系統(tǒng)研究，特別是雉鶉屬的很少（Meng et al，2008）。 分子生物學已經成為研究動物分類和系統(tǒng)進化必不可少的技術手段（Avise，1994）。特別是PCR和DNA測序技術，利用DNA序列分析動物的系統(tǒng)發(fā)生關系已成為進化研究的主流手段（韓德民等，2001）。鳥類mtDNA具有母系遺傳特性，進化速率非?？欤s是單拷貝核DNA（ScnDNA）的5-10倍（Brown et al，1979），尤其是控制區(qū)（D-loop）是非編碼基因區(qū)，在進化過程中受環(huán)境的選擇壓力小，表現(xiàn)出更大的變異，是研究種系發(fā)生非常有效的分子標記，在鳥類的分類中已有很多研究和報道（李慶偉和馬飛，2007；Randi & Lucchini，1998；Kimball et al，1999； Randi et al，2000； Huang et al，2006；Crowe et al，2006）。近年來，利用mtDNA基因序列探討分類問題已成為分類學中的一種常用方法，該方法通過比較不同類群的同源DNA，重建分子系統(tǒng)樹，探討類群間的分類地位和系統(tǒng)進化關系（Avise，1994）。
