基本信息
- 项目名称：
- 我国雉科特有属鸟类的分子系统发生研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 为研究我国雉科（Phasianidae）4个特有属，雉鹑属（Tetraophasis）、血雉属（Ithaginis）、马鸡属（Crossoptilon）和锦鸡属（Chrysolophus）的系统发生，本作品采用PCR-直接测序的方法分析我国雉科15个属鸟类线粒体DNA控制区1070bp序列，共发现376个变异位点，其中简约信息位点345个。15个属间，锦鸡属和雉属(Phasianus)的遗传距离最小，0.067；山鹑属(Perdix)和竹鸡属间(Bambusicola)的最大，0.081 。所有的属在系统发生树中聚成两个明显的分支，其中山鹑属为单独一支。4个特有属的近缘属分别是虹雉属(Lophophorus)、角雉属(Tragopan)、鹇属和雉属(Lophura)。根据分子钟计算，它们大约在4.00~5.00百万年前分歧进化。依化石和地理分布，我国4个特有属可能起源于西南山地。
- 详细介绍：
- 1、材料和方法 1.1实验材料 本文共分析了我国雉科15属30个种，其中16个种的序列来自GenBank。黑凤冠雉（Crax alector，GenBank 序列号 AY145315） 和肉垂凤冠雉（Crax globulosa，AY145316）用做外群。 1. 2 DNA 提取，PCR 反应和DNA 测序 采用乙醇沉淀法提取总DNA。用特异性引物PHDL（5′-AGG ACT ACG GCT TGA AAA GC-3′）和 PHDH（5ˊ-CAT CTT GGC ATC TTC AGT GCC-3ˊ）（Randi & Lucchini，1998）进行PCR反应，体积为35l，反应液中含10 mmol/L Tris-HCl（pH 8.3），50mmol/L KCl，1.5mmol/L MgCl2，Taq酶1U（Sangon），4种dNTP各150mol/L，2个引物各10 pmol/L，DNA模板约100ng。反应在PE2400仪上进行。循环参数为95℃预变性4min，然后95℃变性40s，55℃58℃复性40s，72℃延伸60s，共35个循环，最后72℃ 10min延伸补齐。提取和扩增都设空白对照，并用1%的琼脂糖电泳检测。扩增产物用WizardTM PCR Preps DNA 纯化试剂盒（Promega公司）纯化，然后在ABI 377基因分析仪上进行双向测序。测序分析由北京诺赛公司和上海生工公司完成。DNA序列已全部登录在GenBank中。 1.3 序列分析 用Clustal W程序（Thompson et al，1997）对DNA序列进行对位排列，并经人工仔细核查。然后用DnaSP4.0（Rozas et al，2003）确定变异位点和遗传分化（χ2）；用MEGA4.0软件（Tamura et al，2007）计算碱基组成。采用Modeltest 3.0（Posada & Crandall，1998）计算最优分析模型，再用Arlequin2.0（Schneider et al，2002）分析遗传距离。采用最大似然法Maximum likelihood tree（ML，Strimmer & Haeseler，1996）重建系统发生树，并用自举检验（BP，Felsenstein，1985）计算系统树中结点的置信值。 2、结果 用Clustal W软件进行对位排列和剪切对齐后，共得到雉科15属鸟类线粒体DNA控制区同源序列1070bp，平均碱基含量是24.8%A，33.3%T，15.3%G和26.6% C，A和T的含量超过50%，这与mtDNA控制区是“A和T丰富区”一致。序列比对共发现376个变异位点，其中简约信息位点345个，占序列长度的32.24%。15个属的遗传分化极其显著（χ2= 910.000，p<0.001）。 用Modeltest 3.0分析得出最优分析模型TrN+I+G（-lnL=11506.10），根据此模型构建最大似然树。系统树上主要分支的支持率都超50%。在系统发生树中，15个属聚成两支A和B（BP=100%）。两者之间的遗传距离是0.160。15个属间遗传距离最小的是锦鸡属和雉属（Phasianus），仅0.067；最大的是山鹑属和竹鸡属（Bambusicola），达0.181，是前者的近三倍。 分支A仅包括山鹑属；分支B包含其它14个属，又可分为3个亚支（B1，B2和B3）。马鸡属、鹇属（Lophura）、雉属、锦鸡属、长尾雉属（Syrmaticus）和勺鸡属（Pucrasia）属于一个亚支B1；另一个亚支B2包括角雉属（Tragopan）、血雉属、雉鹑属和虹雉属（Lophophorus）；B3则包括原鸡属（Gallus）、竹鸡属和鹌鹑属（Coturnix）。从聚类关系可以看出，马鸡属、锦鸡属、雉鹑属和血雉属的近缘属分别是鹇属、雉属、虹雉属和角雉属，它们间的遗传距离分别是0.070、0.067、0.078和0.086。 3、讨论 属是分类学研究中的一个重要分类阶元，它是指关系密切的种的集合。属作为进化的单位，可以从遗传和系统发生等方面进行分析。属级单位的遗传可以从宏观和微观两方面测度，宏观上是指形态相似性，这是传统分类研究的主要依据；微观上则以遗传标记如物种间蛋白质的比较、染色体的比较、核酸的比较来识别遗传差异，这是分子系统学的主要研究内容（江建平和周开亚，2001）。本文研究了雉科15个属之间mtDNA控制区基因的遗传距离，各属内物种间的遗传距离明显小于各属与属之间的遗传距离，表明这些属是不同的遗传单位，与形态一致。 山鹑属的分类地位一直存在争议（Kimball et al，1999；文陇英等，2005）。传统上，根据形态特征山鹑被认为是鹑类（郑作新，1978），但Randi et al（1991）用多位点蛋白电泳技术研究发现它与齿鹑属（Colinus）、石鸡属（Alectoris）的关系较远，而与环颈雉（Phasianus colchicus）更近，认为山鹑属于“小雉”（small pheasant）。文陇英等（2005）用线粒体DNA细胞色素b基因研究认为斑翅山鹑（Perdix dauuricae）是雉类。也有一些人发现山鹑属与珠鸡属（Meleagris）是近缘属（Pereira & Baker，2006；Lucchini & Randi，1999；Crowe et al，2006），但山鹑和珠鸡的形态、行为特征和地理分布差异非常大。最近Kriegs et al（2007）认为山鹑和锦鸡是近缘类群。线粒体DNA控制区基因数据表明斑翅山鹑和灰山鹑（Perdix perdix）单独聚成一支A，可见山鹑不属于鹑类，而可能是雉科鸟类的祖先类群。 有关雉科鸟类的分子系统发生研究非常多（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），但结果差异很大，原因是多方面的。首先是方法存在差异，如遗传标记不一样；其次是鸟类中杂交非常普通，特别是鸡形目鸟类中有近20%的种类间可以杂交（Grant & Grant，1992），而且其属间鸟类也可以杂交（Peterle，1951；Grant & Grant，1992）。这对重建雉科鸟类系统发生树带来了很大困难（Grant & Grant，1992）。 线粒体DNA控制区基因支持马鸡属、鹇属、雉属和锦鸡属是一个进化支，这与其形态和行为特征一致。这4个属是典型的雉类（郑作新，1978）。这些属两性异型，雄鸟都有长尾和羽冠。行为上，这些鸟类都是一雄多雌，雄鸟不孵育后代。很多研究都支持锦鸡属和雉属是近缘属（Lucchini & Randi，1999；Kimball & Braun，2008），我们的结果与其一致，但一些研究也发现雉属与长尾雉聚在一起（Bush & Strobeck，2003；Crowe et al，2006）。 在系统发生树上，角雉属、血雉属、雉鹑属和虹雉属聚成一个亚支，其中雉鹑属与虹雉属、角雉属与血雉属分别聚在一起，这与其形态特征不一致。雉鹑和血雉是两性同型，被认为是鹑类；而虹雉和角雉是两性异型，被认为是雉类（郑作新，1978）。Kimball et al（1999）认为“雉”和“鹑”两个术语可能仅适用于鸡形目鸟类的行为和形态特征，并不能反应它们的进化历史。表型是基因型与环境相互作用的产物，亲缘关系相近的类群，在不同环境条件下发育，可能出现显著的表型差异，给分类和谱系分析带来很多困难和不确定性（Zhang，1998）。 鸟类线粒体DNA的分子钟一直存在较大争议。由于动物线粒体DNA控制区各区变异速率不同，很难给定一个准确而恒定的分子进化速率（Loewe & Scherer，1997）。我们借用石鸡（Alectoris chukar）和大石鸡（A. magna）mtDNA控制区同源序列的进化速率来计算分歧时间。两种石鸡的分歧时间是1.90百万年（Randi，1996；Randi & Lucchini，1998），两种石鸡的遗传距离为0.038，其进化速率是1.63%/百万年。依此速率计算，4个特有属与近缘属鸟类的分歧时间大约在4.00～5.00百万年以前，对应于上新世。我们共分析了15个属30个种，属间的平均遗传距离是0.129，锦鸡属和雉属间的最小，0.067；山鹑属和珠鸡属的最大，0.181。种间的平均遗传距离是0.046，白颈长尾雉和黑颈长尾雉的最小，0.020；黄腹角雉和红胸角雉的最大，0.066。一个令人惊奇的结果是蓝马鸡和褐马鸡间遗传距离仅0.0024；吴爱平等（2005）和Bush & Strobeck（2003）还发现这两个种具有相同的线粒体DNA细胞色素b基因。是因为杂交还是其他原因值得研究。根据分子钟计算，雉科鸟类属间和种间的分歧进化主要发生在上新世中期和更新世，这与鸡形目松鸡科的类似（Lucchini et al，2001）。更新世冰期间冰期的交替发生被认为在引起雉科鸟类物种形成方面起了重要作用（Randi，1996；Randi et al，2000）。我国雉科鸟类的进化可能受喜马拉雅山隆升和更新世气候变化的影响（Randi et al， 2000； Lei & Lu，2006；刘迺发和黄族豪，2007）。 在我国西南山地发现马鸡属和锦鸡属更新世化石（Wetmore，1934）。西南地区地形复杂，气候多样，普遍认为该地区是许多动物的分布中心、起源地和冰期避难所，特别是许多雉科鸟类的起源地（Johnsgard，1999）。这个地区是我国雉科4个特有属的分布中心。上新世以前，它们可能广泛分布印度大陆和我国西南部和南部。到上新世时，其祖先种群被隔离在不同山地，形成不同属。4个属外形差异明显可能是适应辐射的结果。根据分子系统发生、化石和地理分布，4个属可能起源于我国西南山地。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：通过用PCR-直接测序的方法，以mtDNA控制区基因为遗传标记，研究我国雉科4个特有属的系统发生并探讨其物种起源。 基本思路：①取样：在野外或动物园收集样品。②DNA提取及测序：采用乙醇沉淀法提取总DNA，利用PCR-直接测序的方法进行测序，并从GenBank下载部分种类的同源序列。③序列分析：利用分子生物学软件进行序列分析，计算变异位点和遗传距离等参数，构建系统发生树。
科学性、先进性及独特之处
- 分子生物学已经成为研究动物分类和系统进化必不可少的技术手段。虽然雉科鸟类的分子系统发生研究比较多，但一些属的分类地位一直存在争议，有关我国4个特有属的系统发生未见系统研究。
应用价值和现实意义
- 雉科鸟类拥有众多著名的珍稀濒危鸟类，具有重要经济价值和科研价值。本文用PCR-直接测序的方法，从分子水平研究我国雉科特有属的分子系统发生，为我国雉科鸟类的系统发生和起源进化提供了分子证据。 特有类群对评估生物多样性非常重要。在保护生物学中特有类群应该优先选择，并且要重点考虑特有类群的进化历史（雷富民和卢汰春，2006）。因此本文的研究同时可以为我国雉科鸟类的保护提供依据。
学术论文摘要
- 为了研究我国雉科（Phasianidae）4个特有属（雉鹑属（Tetraophasis）、血雉属（Ithaginis）、马鸡属（Crossoptilon）和锦鸡属（Chrysolophus））的系统发生，本文用PCR-直接测序的方法分析我国雉科15个属鸟类线粒体DNA控制区1070bp序列，共发现376个变异位点，其中简约信息位点345个。15个属间，锦鸡属和雉属的遗传距离最小，0.067；山鹑属和竹鸡属间的最大，0.181。所有的属在系统发生树聚成两个明显的分支，其中山鹑属为单独一支。4个特有属的近缘属分别是虹雉属、角雉属、鹇属和雉属，根据分子钟计算，它们大约在4.00～5.00百万年前分歧进化。根据化石和地理分布，这些特有属可能起源于我国西南山地。
获奖情况
- 1. 鸟类线粒体DNA控制区研究进展. 安徽农业科学,2009,37(8):3427-3428. 2. 2009. 动物线粒体基因组大小研究进展. 四川动物(accepted).
鉴定结果
参考文献
- 1．郑作新. 1978. 中国动物志鸟纲第四卷—鸡形目. 北京:科学出版社. 2．包新康, 刘迺发,顾海军,周晓雯. 2008. 鸡形目鸟类系统发生研究现状. 动物分类学报, 33(4):720-732. 3. 黄族豪,龙进,张立勋,刘重斌,刘迺发. 2006. 从线粒体DNA控制区探讨红腹锦鸡和白腹锦鸡的分类关系. 江西师范大学学报,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.
同类课题研究水平概述
- 我国雉科鸟类共有4个特有属：雉鹑属、血雉属、马鸡属和锦鸡属（雷富民和卢汰春，2006）。有关这些属的分类地位一直存在一些争议。雉鹑属和血雉属鸟类都是两性同型，羽毛颜色暗淡，属于鹑类；根据形态和行为特征，马鸡属和锦鸡属被认为是典型的雉类（郑作新，1978）。然而，一些分子生物学研究（如线粒体DNA 细胞色素b基因）并不完全支持这些结论（Kimball et al，1999；Crowe et al，2006）。雉科鸟类的分子系统发生研究非常多（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），但结果不尽相同。Kimball and Braun（2008）指出雉科许多属的分类地位存在疑问。有关中国4个特有属的系统发生未见系统研究，特别是雉鹑属的很少（Meng et al，2008）。 分子生物学已经成为研究动物分类和系统进化必不可少的技术手段（Avise，1994）。特别是PCR和DNA测序技术，利用DNA序列分析动物的系统发生关系已成为进化研究的主流手段（韩德民等，2001）。鸟类mtDNA具有母系遗传特性，进化速率非常快，约是单拷贝核DNA（ScnDNA）的5-10倍（Brown et al，1979），尤其是控制区（D-loop）是非编码基因区，在进化过程中受环境的选择压力小，表现出更大的变异，是研究种系发生非常有效的分子标记，在鸟类的分类中已有很多研究和报道（李庆伟和马飞，2007；Randi & Lucchini，1998；Kimball et al，1999； Randi et al，2000； Huang et al，2006；Crowe et al，2006）。近年来，利用mtDNA基因序列探讨分类问题已成为分类学中的一种常用方法，该方法通过比较不同类群的同源DNA，重建分子系统树，探讨类群间的分类地位和系统进化关系（Avise，1994）。
