第26卷 第4期2001年10月动物分类学报ACTA ZOO TAXONOM ICA SIN ICA Vol.26,No.4Oct .,2001①本研究由中国科学院“青年科学家创新小组”专项基金、国家自然科学基金(编号39970103、30070119)和生物多样性与生态工程教育部重点实验室访问学者基金资助.②通讯作者.收稿日期:2000Ο10Ο25,修订日期:2001Ο04Ο041431分子系统地理学及其应用①王 静1,2,3) 李 明1) 魏辅文1,2)② 刘定震2) 蒙世杰3) 冯祚建1)(11中国科学院动物研究所 北京 100080,21教育部生物多样性与生态工程重点实验室 北京 100875,31西北大学生命科学学院 西安 710069)摘要 分子系统地理学是20世纪70年代中期伴随着对线粒体DNA 的认识而开始酝酿发展的。
本文回顾了该学科自诞生以来的发展简史,阐述了其研究内容,着重从3个方面介绍了该领域在其它相关学科中的研究进展。
总结了该学科存在的问题,并提出重点应解决的3个问题:1)将细胞器基因与遗传信息更为丰富的核基因相结合;2)合生理论在非平衡种群中的发展应用;3)提高对分化时间估计的精确性。
关键词 分子系统地理学,发展,应用.中图分类号 Q 9591117系统地理学(Phylogeograp hy )是研究物种及物种内不同种群形成现有分布格局的历史原因和演化过程的一门学科。
作为生物地理学的一个分支,系统地理学已不局限于解释现有种群的分布状况,而是进一步探究其分布的起因,阐述其进化历程,分析区域类群在时间上和空间上的发展变化,从而重建生物区系的历史(Avise ,1996,1998)。
随着系统地理学研究方法上的拓展和分子生物学实验技术的渗透,出现了一门新的交叉学科———分子系统地理学(Molecular p hylogeograp hy )。
分子系统地理学主要采用分子生物学技术,在分子水平上探讨种内的系统地理格局(Phylogeograp hic parttern )的形成机制。
它融入了分子遗传学、种群遗传学、系统发育学、统计学、行为学、古地理学和历史生物地理学等学科的精髓,将种内水平上的微进化(Microevolution )和种及种上水平的大进化(Macroevolution )有机结合起来。
目前,分子系统地理学已成为国际上相当活跃的研究领域,近十几年来,研究进展十分迅速。
然而我国分子系统地理学的研究没有全面展开,这方面的报道几乎是空白。
因此,本文就分子系统地理学的研究历史、研究内容、应用及前景作如下介绍。
1 发展简史分子系统地理学作为一门新兴学科,在20世纪70年代中期,伴随着对线粒体DNA (mtDNA )的逐渐认识及其研究方法的不断成熟而开始酝酿发展。
在高等动物体内,mtDNA 具有显著的母系遗传特性,几乎没有重组现象发生,而且进化速率相当快,约是单拷贝核基因的1～10倍(Brown et al .,1979)。
这些独特的优点,使得mtDNA 在种内微进化水平上探讨系统发育关系时,具有很强的优势,这是核基因体系无法达到的。
早期的研究主要是应用mtDNA 限制性酶切技术(Brown ,1974;Upholt ,1977),通过对限制性片断长度多态性(Re 2234 动 物 分 类 学 报 26卷striction Fragment Length Polymorphism,RFL P)的比较分析,探讨种群之间的系统发育关系及其系统地理模式。
有关这方面的第1篇报道是Avise等(1979)关于囊鼠Geom ys pi netis地理种群间系统发生关系的研究,mtDNA限制性酶切后的带型表明在囊鼠种内可以分成两个明显的种群,即东部种群与西部种群,它们的序列差异至少在3%以上。
此外,还进一步确定了这两个种群内部存在的数个单倍型以及这些单倍型群体的系统发生关系。
这个研究已被认为是分子系统地理学产生的雏型,从此,这方面的研究逐渐发展起来(Chapman,1982;Berming2 ham,1986)。
Avise等(1987)根据他们实验室对多种动物种内群体间的mtDNA的研究结果,对分子系统地理学的理论提出了如下3点假说:1)大多数物种都是由地理种群组成的,这些地理种群在系统树上都占有不同的分枝,这种系统分支的地理分隔格局可称为是系统地理种群结构(Phylogeographic population structure);2)有一定系统地理种群结构的物种在其历史发展过程当中发生过扩散,而且所占有的分布区不存在基因交流的障碍;3)单系群(Monophyletic group)之间系统发育隔离较大,这是由于基因流的长期中断而引起的。
这3点假说的提出,进一步丰富了系统地理学的内容。
20世纪90年代以来,分子系统地理学的发展更为迅速。
首先在实验技术方面,传统的RFL P由于工作量大、信息含量低、特异性不强等因素,逐渐被操作简便、结果直观的DNA测序技术所取代(de Silva,1993;Talbot,1996),其中PCR技术的广泛应用,可以从微量的DNA 模板中获得大量的拷贝,使DNA多态性分析更加精确,有助于系统地理学家广泛进行不同物种之间的比较。
在动物分子系统学研究中最常用的分子标记是mtDNA的D2loop基因(Taberlet,1994;Wooding,1997;Fermando,2000),其它基因如细胞色素b(cytochrome b) (Talbot,1996;Santucci,1998;Gubitz,2000)、t RNA Pro和t RNA Thr(Talbot,1996)、t RNA2 Ile和t RNA2Leu(Redenbach,1999)、12S rRNA(Brown,1998)、16S rRNA(Johnson,1999; Javier,1999)、A TP8和NADH25(Johnson,1999)以及NADH21(Redenbach,1999)等近年来也得到应用;而在植物分子系统学研究中常用的分子标记为叶绿体上的基因(Van Dijk,1997; Schaal,1998;Taberlet,1998)和编码核糖体蛋白的DNA。
目前核基因组中的分子标记如微卫星也开始应用于系统地理学的研究中(Johnson,1999;Trevion,2000)。
其次,分子系统地理学在进化遗传学等相关学科中的应用日益广泛(Bermingham,1992; Bernatchez,1998;Milot,2000),特别是在保护生物学中的应用(Avise,1996;Smith,1996; Moritz,1998)使其不再停留在理论阶段,而是具有一定的应用价值,如为保护单元的确定和保护政策的制定提供有力的理论根据。
Parkinson等(2000)分析了墨西哥蝮蛇A.taylori11个个体的mtDNA3个基因区段和两个t RNA的序列,着重研究了蝮蛇亚种之间的分子系统地理格局,结果发现位于墨西哥东北区的一个亚种目前只占有较小的地理范围,为保护这一亚种的基因多样性,作者对其保护提出了6点建议。
此外,谱系学理论和分子数据在分子系统地理学领域中的应用也越来越广泛,其中包括合生理论(Coalescent theory)在动态种群中的应用和发展(Hudson,1990;Slatkin,1991;Nee,1995)以及改进了的统计学方法和支序法用于分析从遗传标记中获得的实验数据(Neigel,1991;Templeton,1996;Fleischer,1998;Temple2 ton,1998),这些理论和方法都大大推动了分子系统地理学的发展,使其日臻完善。
2 研究内容分子系统地理学主要探讨种群分化的历史,研究这些种群现有分布格局形成的原因,如是否是因为曾经经历过气候变化、地壳运动等历史事件的影响,逐渐经过迁移和扩散、集群、甚至灭绝等过程而形成的。
虽然历史生物地理学(Historical biogeography )的有关理论可以解释种群分布格局形成的历史因素(Morrone ,1995),但是,这仅局限于种或种上水平,并没有在种内水平上探讨种群的发展历史,而分子系统地理学则从种内水平上描述种群的系统地理格局(Phylogeographic pattern ),进而追溯其形成原因。
分子系统地理学研究的核心是遗传谱系空间分布的历史特征(Avise ,1996),通过种群遗传结构的分析来探讨种内系统地理格局的形成机制、系统发育关系以及现有分布特征,并结合种群的地理分布状况来发现和验证与其相关的地质事件,追溯和揭示种群的进化历程(Avise ,1987,1998;Bernatchez ,1998)。
经过大量的研究发现,目前常见的种群系统地理格局现存有5种类型(Avies ,1987),简述如下。
1)系统发育上不连续的种群,分别占有不同的地理区域。
这主要是由于地理阻隔,造成基因流的长期中断和一些过渡类型的逐渐灭绝所致。
2)系统发育上不连续的种群,却分布于同一地区内,这些占有同一领域的不同种群是由于基因交流的长期中断,造成彼此之间生殖隔离而形成的。
3)系统发育上具有连续性的种群,其地理分布却不同。
形成该格局的原因主要是这些遗传距离很近的种群由于发生替代(Vacarine )而占据不同的地区,但是,由于发生替代的时间并不很长,而且种群内部新产生的突变只是固定在局部范围,还未在种群间散布,因此占有不同地区的种群其遗传距离相差并不远,这种结构可以或多或少的理解为传统种群遗传学中的岛屿模型。
4)系统发育上连续的种群,空间分布也连续。
这是由于这些种群不存在地理隔离,种群之间相互迁移,存在着广泛的基因交流。
5)系统发育上连续的种群,空间分布具有部分连续性,即一些基因型具有广泛的地理分布,而与其具有同源关系的另一些基因型只占据一特定区域,这种格局的形成,主要是由于地理种群间存在着中度的基因流水平。
对分布于同一地区或不同地区不同类群系统地理学模式的比较,可以探讨影响种群分化的历史,而这些分化最终可能导致新种的形成(Avise ,1994;Hewitt ,1996)。
有关这方面的研究,大多集中在对同一分布区内各物种系统地理格局的比较研究上(Avise ,1992;Turner ,1996;Zink ,1996)。
如Taberlet 等(1998)就这一问题进行了深入研究,他比较了分布于欧洲的10种动植物的系统地理格局,其中包括哺乳类、两栖类、昆虫类和一些植物,目的在于分析这些物种是否同是因为受到第四纪冰川影响才分化形成现有的种群。
研究结果表明,在各个类群之间,其系统地理格局缺乏一致性,各类群的进化速度有所不同,都有各自独立的发展历史,它们只是在第四纪冰期后,建群的路线呈现出一定的相似性。