分子系统学的发展及其现状唐伯平　周开亚　宋大祥(南京师范大学生物多样性与分子进化实验室210097) 摘要　分子系统学在生物学研究中的地位日益显得重要。

本文概述了分子系统学的形成以及常用的研究方法。

介绍了该学科的应用和研究中存在的一些争议。

关键词　分子系统学　系统发生　系统学1　分子系统学的形成几个世纪以来,博物学家和生物学家一直都在对生物多样性进化描述和解释。

这种工程及其结果便是生物系统学(system atics)。

生物系统学是研究生物多样性以及它们中间的任何一个类群和其他类群的各种关系的科学。

系统学的研究是建立在分类学基础之上的,而对生物进行分类是人类认识生物世界的第一步。

3000年前我国的甲骨文已有了许多动植物的名称,公元前4世纪的亚里士多德对动植物的记述,16世纪李时珍的《本草纲目》等等都是人类对生物分类的初步总结。

18世纪林奈(L in2 naeu s,1758)双名法的建立为对生物多样性描述和分类奠定了基础,由于林奈这一系统的严谨性、科学性而很快得到公认,并被进化学家拉马克、达尔文、海克尔(H aeckel)所采用。

1860年海克尔提出了系统发生(p hylogeny)这一概念。

研究系统发生的主要任务是探讨物种之间的历史渊源以及物种之间的亲缘关系。

但早期建立起来的生物系统发生史很少有客观标准。

这样直到本世纪上半叶人们关注的焦点仍然是物种、物种形成和地理变异而不是生物发生。

1942年赫胥里(J.H ux ley)出版的《进化论的现代综合》中仍未出现系统发生这个词。

后来德国植物学家齐默尔曼(W.Zi m m erm ann)建立了顶枝学说(telom e theo ry)和德国昆虫学家亨尼希(W.H enn ig)创建了分支系统学说(cladistic system atics)。

他们都是基于现存生物和生物化石的共同特征来概括提炼出一些客观标准来重新构建生物进化史的。

60年代开始,新的系统发生数据逐渐积累,计算机硬件和软件的建立,使系统发生学取得了长足的进步,同时蛋白质和核酸分子结构检测方法得到迅猛发展,并且这些方法很快被进化学家所接受的采用,这样就产生了一门新的学科——分子系统学。

分子系统学是用分子生物学的技术和方法来研究生物多样性,以及它们之间相互关系的科学。

它主要包括两大领域,即种群遗传学(pop u lati on genetics)和系统发生学(p hylogenetics),前者主要研究种内分化,后者主要研究物种多样性及种间系统发生。

2　分子系统学常用的研究方法及其应用2.1　分子系统学常用的研究方法　分子系统学的研究首先是通过现代分子生物学技术,获得物种特定遗传标记的大量数据,然后把这些数据进行相关的数学分析而对研究结果进行解释和说明。

目前常用的核酸分析方法有DNA 杂交、串联重复序列数目变异、单链构象多态性、变性梯度凝胶电泳、限制性片段长度多态性、随机扩增多态性DNA、测序和克隆。

蛋白质分析技术中常用的方法有:免疫学技术,同工酶电泳、蛋白质电泳、氨基酸分析等。

染色体分析中常用的方法有:核型分析、带型分析、荧光原位杂交、染色体原位隐藏杂交、引物原位标记、多(探针)引物原位标记等,在上述方法中主要以核酸分析为主。

特别是近几年测序技术的推广和普及,自动测序技术的发展,序列分析技术越来越多的地被采用。

数据分析中常用的一些方法有:1)简约法,这种方法旨在确定最短的系统树,对该树核苷酸或氨基酸的替代总数应取最小值。

该方法中影响较大的有最大简约法,加权简约法和进化—1—生　物　学　通　报 1999年第34卷第5期简约法;2)距离矩阵法,此处的距离指相对替代率、遗传距离或进化距离。

常见的方法有:不加权成对群算术平均法、F itch2M argo liash法、转化距离法、邻接法等;3)最大似然法,以各种假设的进化数学模型对观测结果进行检验,选出具有最大似然函数的模型构树。

常见的方法有L angley和F itch法、Felsen stein法等,由于分子数据由抽样获得,所以在用某种方法获得系统树后,还要用重抽样法来检验校正,常见的方法有折刀法和自助法。

总之,在数据处理时最好用多种方法进行比较,以期获得一致的结果,提高结果的可靠性。

2.2　分子系统学的应用　目前分子系统学主要应用于生物分类学,构建生物分子树或生物进化树。

B ecerra应用分子系统学的方法,还成功地解释了昆虫和宿主植物之间的协同进化关系。

除此之外,分子系统学还能用于中草药的鉴定和分离、人类流行病的分析、病原体查找、基因和基因组进化、行为学、生态学、生物地理学、发育生理学甚至犯罪学等领域的研究。

3　分子系统学研究中的一些争议及其展望3.1　分子系统学研究中的一些争议　分子性状(或数据)和形成性状(或数据)哪一个更好,哪一个更能客观地反映生物进化的历史。

形态特征可靠性相对弱些,而分子特征则有时可能引起误导和争议,所以研究时应将两者相互结合起来,因为分子数据有很强的遗传学基础,能准确获得并可定量化,但形态学特征可很容易地从化石和大量被保存的标本中获得,所以两者不应相互排斥而应相互兼容。

相似和同源的理解在分子生物学家和形态学家之间的理解各不相同。

在现实工作中,如果两个蛋白质有95%的氨基酸位点相同,分子生物学家则认为两者有95%的同源,而余下的5%和共同祖先没有关系,是非同源的,但是大多数情况下,这5%也是同源的,只是后来发生了歧化。

当然也可说这两个蛋白质相似,因趋同进化、基因转换而造成这样的结果。

分子系统学中存在3种关系:直源、并源、和异源。

直源指经过物种形成过程后,所有直接后代之间的关系,如图1。

物种3和1、2之间的关系便是直源。

物图1　直源和并源序列的形成1.表示第1次物种形成2.表示第2次物种形成种A和B则是并源,因为它们之间没有直接的祖先,有的只是基因复制。

异源是经过逆转录、转座等作用形成的。

在建立物种系统发生时只有直源序列才可能得出正确的结论。

如1A, 2A,3A为直源,3者的关系通过序列分析,数学计算得出(图2A)。

如果3者为并源序列,像1A,3A,2B,则会得出错误的结论如图2B,它所反映的不是物种的系统发生而是基因的系统发生。

图2　用直源和并源序列建立的系统发生谱系有时并源序列的进化不是独立的,而是协同进化,可导致一些高度重复序列的形成。

有人将经过协同进化而同质化的并源序列叫作全源序列。

如果协同进化速率太高,这些序列可成为相同序列,这时直源和并源的关系就混淆了。

关于分子进化速率恒定性的问题,也是有争议的。

因为基因突变中有无声突变和回复突变,这些都说明进化速率是有波动性的,所以认为分子进化速率不是恒定不变的,即不具先验性。

而进化速率的恒定是中性学说的一个重要内容,也是许多构建分子系统进化谱系的基础。

但并不意味着分子系统学的方法已不能使用。

分子系统学中另一个问题就是关于分子变异的中性学说和自然选择的争论。

现在一般认为:自然选择理论在总体上要强于中性学说,中性学说本身也承认中性只是在分子水平上,而在表型上仍然是自然选择在起作用。

—11—1999年第34卷第5期 生　物　学　通　报黄鳝的性转变石　琼　孙儒泳(北京师范大学生命科学学院100875) 摘要　简要介绍黄鳝由雌性转化成雄性的性转变现象,以及有关黄鳝性转变机制研究的进展概况。

关键词　黄鳝　性转变 黄鳝,俗称鳝鱼、田鳗、蛇鱼和长鱼等,在分类上隶属于硬骨鱼纲、辐鳍亚纲(真口亚纲)、合鳃目、合鳃科、黄鳝属。

我国仅产1种(学名为M onop terus a lbus Z u ie w),其体形细长,形状似蛇或鳗鱼。

鳃孔相连成一横裂位于喉部,体滑无鳞。

背鳍、臀鳍与尾鳍连在一起,且较小,仅留下不显眼的低皮褶,没有胸鳍和腹鳍。

鳃退化,不能在水中独立呼吸,但可用口咽腔及肠腔来辅助呼吸空气,无鳔,耐饥饿。

黄鳝是一种淡水穴居的硬骨鱼类,广泛生活于江河、湖沼、沟渠及稻田中,营底栖生活。

由于它具有肉味鲜美、经济价值高、便于活体运输等优点,已日渐成为重要养殖鱼类之一。

我国除西北高原地区以外,各地区均有黄鳝的记录,特别在珠江流域和长江流域,更是盛产黄鳝的地方。

在国外,主要分布于泰国、印度尼西亚、菲律宾、印度和朝鲜等地。

黄鳝的生命过程中具有典型的性转变(Sex change)现象,是一种常见的雌雄同体硬骨鱼类。

在其生命发育的早期为雌性,产卵后转为间性(In tersex),最后进入雄性阶段。

因为控制同一个体雌雄生殖细胞的顺序表达和成熟的机制,对于了解性别决定的内在和外在控制具有重大意义,故黄鳝已被用作性别决定研究的一种常见模型,并取得初步进展。

1　黄鳝的自然性转变同其他动物一样,有关黄鳝性转变的研究也是从性腺组织的形态学描述开始的。

1944年,中国科学院院士刘建康研究员首次报道黄鳝存在性转变现象,由此揭开了黄鳝性转变研究的灿烂篇章。

他在研究黄鳝繁殖习性的过程中,首先观察到黄鳝的性别明显与体长和年龄有关,中小个体主要是雌性,而较大个体多为雄性,雄鳝都是由雌鳝产卵后通过性转变而来。

而且,该转变不可逆转,即雄鳝不再变回雌性。

此后,国内外不少学者相继证实了不同地域的黄3.2　展望　随着分子生物学中一些重大问题的解决,如内元(内含子)功能,DNA时空调控机制等的彻底破译,构建分子系统谱系将会有更加有力的手段。

但要真正构建生物系统发生的图谱,应使用综合的方法即分子系统学和形态学、生理学、行为学、生态学、生物地理学等方法,在新的计算方法和计算工具支持下相互兼容,这需要做相当多的工作。

4　参考文献　1　王义权,周开亚,王珞珊.金钱白花蛇及其伪品的Cyt b 基因片段序列分析和PCR鉴别研究.药学学报,1998,33(12):941—947.　2　Becerra,J.X.Insects on p lants:m acroevo luti onary chem ical trends in ho st use.Science,1997,276:253—256.　3　Felsenstein,J..Phylogenies from mo lecular sequences: inference and reliability A nnu.R ev.Genet.,1988,22:521—565.　4　H illis,D.M..B i o logy recap itulates phylogeny.Science, 1997,276:218—219.　5　H illis,D.M.,C.M o ritz&B.K.M able.M o lecular sys2 tem atics(2nd ed).Publishers Sunderland,M as2sachusettes,1996,1—247.—21—生　物　学　通　报 1999年第34卷第5期。