魏亦寒,鄭斯竹,蔡 平,詹國(guó)輝,高 淵
(1.蘇州大學(xué)金螳螂建筑與城市環(huán)境學(xué)院,江蘇蘇州,215123;2.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局,江蘇蘇州, 215000)
蚧蟲又稱介殼蟲,屬于昆蟲綱Insecta 半翅目Hemiptera 蚧總科Coccoidea。據(jù)ScaleNet 統(tǒng)計(jì),除化石昆蟲14個(gè)科之外,全世界共記錄48 科1050 屬7500 余種,我國(guó)已知116 科249 屬830種,是一類分布廣、寄主多的植食性昆蟲,除少部分為資源昆蟲外,多為農(nóng)林業(yè)中發(fā)生普遍且為害嚴(yán)重的害蟲(汪永慶,2001;Kozar,2008;武三安,2009;Ben-Dov et al.,2012;羅梅等,2012)。該類群的成蟲和若蟲主要在寄主植物的幼嫩部位取食危害,導(dǎo)致樹勢(shì)衰弱;亦可傳播病原微生物導(dǎo)致植物病害大面積的發(fā)生;另外蟲體排出的蜜露常誘致煤煙病的產(chǎn)生,影響光合作用,對(duì)松林資源、自然景觀等的生態(tài)影響巨大。
長(zhǎng)期以來,基于介殼蟲形態(tài)特征的分類研究具有局限性:首先,介殼蟲體形較小或微小,有些種類鮮見雄蟲,可供比較的形態(tài)學(xué)特征有限;其次,形態(tài)分類特征不穩(wěn)定,如有些粉蚧的個(gè)體大小、剛毛的長(zhǎng)短、透明孔的有無等都可能受外部環(huán)境的影響(齊曉豐,2008);再者,傳統(tǒng)形態(tài)分類通常對(duì)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求較高,只有分類專家或者經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員才能開展此項(xiàng)工作;此外,口岸檢疫部門在實(shí)際工作中,截獲的入境蚧蟲不一定為成蟲,有時(shí)是若蟲,甚至是不完整的蟲體殘?bào)w、蛻皮等(Kondo et al.,2008;Utsugi,2011),無法通過形態(tài)特征進(jìn)行快速有效地鑒定。
近年來,昆蟲分子生物學(xué)迅速發(fā)展起來,在分子鑒定和系統(tǒng)演化兩個(gè)方面的應(yīng)用較為廣泛,通過研究昆蟲核酸分子結(jié)構(gòu)探求各類群之間的親緣關(guān)系和進(jìn)化關(guān)系(唐克軒等,2002;Robertson,2003;晏慧君等,2006)。利用分子生物學(xué)技術(shù),可以有效地揭示自然種群中遺傳結(jié)構(gòu)、基因流動(dòng)和選擇作用等問題,為昆蟲的分類鑒定提供新的技術(shù)和方法(Downie et al.,2004;Frézal and Leblois,2008;劉明輝等,2009)。本文針對(duì)分子生物學(xué)技術(shù)在蚧蟲系統(tǒng)發(fā)育以及種類鑒定的應(yīng)用予以綜述,并對(duì)其存在的問題進(jìn)行討論,以期為蚧蟲類昆蟲的分類鑒定提供幫助。
目前蚧蟲類昆蟲分子生物學(xué)的研究,以粉蚧科Pseudococcidae 和盾蚧科Diaspididae 居多,研究?jī)?nèi)容主要是對(duì)整個(gè)基因組DNA(genome DNA),mtDNA(mitochondrial DNA,線粒體DNA)、rDNA(ribosomal DNA,核糖體 DNA)及satDNA(satellite DNA,衛(wèi)星DNA)等特定部分DNA 的研究(Aljanabi and Martinez,1997;Ashfaq et al.,2010;Hosseini and Hajizadeh,2011),其中以rDNA 和mtDNA 應(yīng)用居多。
核糖體DNA 是核DNA 基因組中度重復(fù)簇的一個(gè)組分,18S 基因是rDNA 中保守性最好的部分,ETS、ITS 和IGS 等非編碼區(qū)有高度的多態(tài)性,這些特征使rDNA 常用來鑒別蚧蟲種下至高級(jí)分類階元的分析(Park et al.,2010),已有研究證明,18S、28S、EF-lα 基因是盾蚧亞科下屬級(jí)分類單元分子系統(tǒng)發(fā)育的有效基因標(biāo)記之一,適于遠(yuǎn)緣物種關(guān)系,也可用于推斷早期的進(jìn)化事件(Annstrong et al.,1997;Cook et al.,2002;鐘濤,2002;Downie et al.,2004;魏久鋒等,2009;何衍彪,2012),5.8S 基因包含的信息量最少,目前極少應(yīng)用。
線粒體DNA 是共價(jià)閉合的環(huán)狀雙鏈DNA 分子,廣泛存在于昆蟲體內(nèi)富含線粒體的飛行肌和卵等組織細(xì)胞中,大小一般為15.4-16.3 kb,以高拷貝數(shù)目存在于線粒體內(nèi),因其屬于細(xì)胞器基因組,缺乏細(xì)胞核基因組中的保護(hù)機(jī)制,因而變異較為明顯,能夠反映較短時(shí)間內(nèi)的進(jìn)化事件,被廣泛應(yīng)用于蚧蟲種間及種下的鑒別。蚧蟲分子研究最多的線粒體基因有12S rRNA、16S rRNA、COI(cytochrome coxidase subunit I,線粒體細(xì)胞色素C 氧化酶亞基I)和COII,而COIII、cytb(Cytochrome b)、ND4(NADHdehydroge-nase4)和ND 5 研究報(bào)道較少,ND1 和ND 2 則甚少應(yīng)用(趙鴻等,2004)。一般情況下,12S rRNA 和16S rRNA 比較適合于研究屬間、不同種團(tuán)以及分化時(shí)間較早的系統(tǒng)關(guān)系,COI、COII、ND1 和ND2則經(jīng)常用于分析親緣關(guān)系密切的種、亞種及地理種群之間的系統(tǒng)關(guān)系。
截至2014年12月29 日,NCBI 上共記載了蚧總科昆蟲核苷酸序列286744 條,主要集中于18S基因、28S 基因、COI 基因和COII 基因,其中18S基因763 條,28 S 基因2168 條,COI 基因1810 條,COII 基因266 條。
近年來迅速發(fā)展起來了一系列分子生物學(xué)方法,如RFLP、RAPD、SSR、ISSR 和DNA 條形碼技術(shù)等,并很快被應(yīng)用于昆蟲的物種鑒定和系統(tǒng)進(jìn)化等的研究中,主要解決蚧蟲分類系統(tǒng)存在的問題,集中于其功能基因、親本起源和協(xié)同進(jìn)化等方面的研究。
2.1.1 限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性技術(shù)
RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism,限制性內(nèi)切酶切片長(zhǎng)度多態(tài)性)技術(shù)是基于生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中因突變、重組等原因引起核苷酸發(fā)生替換、插入或缺失等,使同源生物限制性內(nèi)切酶識(shí)別位點(diǎn)發(fā)生變化,用限制性內(nèi)切酶處理不同生物個(gè)體的DNA,依據(jù)所產(chǎn)生的大分子片段的長(zhǎng)度和數(shù)目差異,反映限制性內(nèi)切酶的切割位點(diǎn)在DNA 分子上的分布,計(jì)算DNA 間的遺傳距離,據(jù)此來判定個(gè)體間、群體間或種間的差異(閆華超等,2006;黃映萍,2010)。鑒于RFLP 的來源于自然變異,穩(wěn)定性高,且特定的切割位點(diǎn)使其具有較高的可靠性,日前在蝗蟲、線蟲、蚊類、蟻類、棉鈴蟲等昆蟲中應(yīng)用較為廣泛,而且多選擇mtDNA,而蚧蟲研究中雖有涉及,但多是結(jié)合PCR 技術(shù)聯(lián)合分析,以確定其種類所屬。
針對(duì)蚧蟲屬、族、種內(nèi)不易確定分類地位的物種,Chiu 等(2004)運(yùn)用RFLP 技術(shù)對(duì)蘇鐵白輪盾蚧Aulacaspis yasumatsui、月橘白輪盾蚧A.murrayae 和樟白輪盾蚧A.yabunikkei 的rDNA 的18S、ITS 1 及部分的5.8 S 區(qū)域擴(kuò)增,蘇鐵白輪盾蚧和月橘白輪盾蚧均產(chǎn)生500 bp 的DNA 片段,而樟白輪盾蚧則產(chǎn)生約450 bp 的DNA 片段;之后對(duì)擴(kuò)增出的ITS1 區(qū)域進(jìn)行限制性內(nèi)切酶切割,結(jié)果以內(nèi)切酶TaqI 的酶切圖譜鑒別效果最佳,因此rDNA/PCR-RFLP 技術(shù)可用于區(qū)別這3種盾蚧,白輪盾蚧屬Aulacaspis spp.昆蟲為廣西、臺(tái)灣等地的重要入侵種,在蘇鐵Cycansrevoluta Thunb.植物上危害日趨嚴(yán)重,該研究為檢疫口岸蚧蟲種級(jí)分類階元的快速鑒定提供了技術(shù)支持。Rung 等(2009)利用RFLP-PCR 技術(shù)成功區(qū)分大洋臀紋粉蚧Planococcus minor 和柑橘粉蚧P.citri,并能將其與來自夏威夷的柑橘粉蚧種群相區(qū)分,研究表明RFLP 技術(shù)能夠確定蚧蟲地理種間的親緣關(guān)系,為蚧蟲種屬特異性鑒定提供有效手段,是蚧蟲分類和進(jìn)化可靠的證據(jù)。Burban 等(1999)用PCR-RFLP-SSCP 技術(shù)研究日本松干蚧Matsucoccns matsumurae mtDNA 的多態(tài)性,并將其與已有的寄主樹種的遺傳信息相比較,結(jié)果出現(xiàn)三條不重疊的條帶,由此指出日本松干蚧的種群變異與寄主植物的遺傳結(jié)構(gòu)有關(guān),當(dāng)?shù)胤N大多表現(xiàn)為協(xié)同進(jìn)化,而其他的則因?yàn)榉N內(nèi)寄主轉(zhuǎn)換而有所不同,這可能與人為設(shè)定樹種有關(guān),此次研究為構(gòu)建蚧蟲基因組連鎖圖譜、蚧蟲基因變異影響因素的奠定了基礎(chǔ),尤其對(duì)蚧蟲屬級(jí)分類階元的界定進(jìn)行了補(bǔ)充。RFLP 技術(shù)與SSCP、PCR 技術(shù)聯(lián)合的發(fā)展方向,對(duì)RFLP 技術(shù)的不足之處是一種技術(shù)層次上的彌補(bǔ),目前國(guó)內(nèi)外單獨(dú)利用RFLP 技術(shù)對(duì)目標(biāo)昆蟲開展的研究已經(jīng)不能滿足需求,若能借鑒植物病原菌和同翅目其他昆蟲如蚜蟲、飛虱等的鑒定技術(shù),并以隨后興起的AFLP 技術(shù)(Amplified Fragment Length Polymorphism,擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性)為參考,做出改進(jìn),通過Southern 雜交與放射性顯影技術(shù)相結(jié)合,檢測(cè)與探針DNA 有同源性的片段(黃可輝等,2005;李獻(xiàn)梅等,2009;黃映萍,2010),則更能拓寬該技術(shù)在蚧蟲分子研究方面的應(yīng)用范圍,突顯其優(yōu)勢(shì)。
2.1.2 隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA 技術(shù)
RAPD(Random Amplified Polymorphism DNA,隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA)技術(shù)是1990年Williams 提出的DNA 分子多態(tài)檢測(cè)技術(shù),其原理是利用一系列隨機(jī)排列的堿基組成的寡聚核苷酸(通常為9-10個(gè)堿基)單鏈作為引物,對(duì)所研究的基因組DNA 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物通過聚丙烯酸胺或瓊脂糖凝膠電泳分離,EB 顯色或放射性自顯影來檢驗(yàn)DNA 片段的多態(tài)性,借此反映基因組相應(yīng)區(qū)域 的 DNA 的多態(tài)(Williams and Kubelik,1990)。此技術(shù)最早應(yīng)用在蚜蟲的寄生蜂種群的鑒定和區(qū)分上,隨后在按蚊、寄生蜂、舞毒蛾、蝗蟲、蚜蟲、粉虱等昆蟲中均有應(yīng)用(Black et al.,1992;劉春林等,2003)。Ben-Dov 等(2000)利用RAPD 技術(shù)結(jié)合形態(tài)學(xué)特征,對(duì)1872年定名的一種星蠟蚧Ceroplastes vinsonii Signoret 重新確定,發(fā)現(xiàn)其是1881年定名的龜蠟蚧(C.floridensis Comstock)的同種異名,對(duì)來自Reunion 的蠟蚧屬新種C.reunionensis 與紅蠟蚧C.Rubens 進(jìn)行比較研究,發(fā)現(xiàn)它們雖然在形態(tài)特征上相似,但在分子水平上兩個(gè)種的種間和種內(nèi)都有差異,說明RAPD技術(shù)對(duì)蚧蟲分類地位和傳統(tǒng)分類學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修正。
總結(jié)以上研究結(jié)果得出,磁共振在乳腺癌診斷中具有較顯著的臨床價(jià)值,確診率較高,誤診率及漏診率較低,可為臨床醫(yī)師診斷病情提供依據(jù),值得各醫(yī)療機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用。
昆蟲的種群遺傳分化與種群本身的適應(yīng)性有關(guān),而且受環(huán)境因素的影響,據(jù)研究,蚧蟲種群分化同時(shí)受到寄主因素和地理因素的雙重影響。李夢(mèng)等(2006)利用5 條隨機(jī)引物(S61、S64、S67、H9、H16)對(duì)河北不同地區(qū)種群的10個(gè)蚧蟲種群進(jìn)行研究,結(jié)果顯示不同地理來源的皺大球蚧 Eulecanium kuwanai 和瘤堅(jiān)大球蚧 E.gigantean 之間已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的遺傳分化,遺傳差異與地理距離呈正相關(guān);寄生于白蠟Fraxinus chinensis 和刺槐Robinia pseudoacacia 兩種不同寄主植物上的扁平球堅(jiān)蚧Parthenolecanium corni種群之間存在一定程度的遺傳差異,隨后,高寶嘉等(2007)也取得了相同的結(jié)果;劉全超(2012)根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)檢以相同的方法和設(shè)計(jì)思路檢測(cè)了來自河北邯鄲、石家莊和保定3個(gè)地區(qū)16個(gè)不同寄主白蠟Fraxinus chinensis、紫葉碧桃Amygdalus persicaf pendula、月季Rosa chinensis、紫葉李Prunus cerasifera ehrhar f.atropurpurea、二球懸鈴木Platanus acerifolia、稠李Psdus racemosa、杜梨Pyrus betulaefolia、楓楊Pterocarya stenoptera、木槿Hibiscus syriacus、垂絲海棠Malus halliana、紫薇Lagerstroemia indica 和華桑Morus cathayana 的草履蚧Drosicha corpulenta種群之間的DNA 多態(tài)性,結(jié)果顯示不同寄主來源的草履蚧已產(chǎn)生明顯的種群分化,而同種寄主不同地理種群也存在遺傳差異。上述三項(xiàng)研究結(jié)果趨同,這可能與蚧蟲的生態(tài)習(xí)性、地理位置和生態(tài)環(huán)境有密切關(guān)系。RAPD 技術(shù)穩(wěn)定性差的問題一直是爭(zhēng)議的焦點(diǎn),此實(shí)驗(yàn)分別對(duì)擴(kuò)增體系中各種反應(yīng)物梯度和反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化,摸索了適合實(shí)驗(yàn)材料的理想的退火溫度,同時(shí)利用酯酶同工酶標(biāo)記技術(shù)對(duì)RAPD 標(biāo)記的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,建立了RAPD 對(duì)蚧蟲的最適反應(yīng)體系,但作者認(rèn)為必須使用一定數(shù)量的引物以獲得足夠的基因用于分析。
部分蚧蟲在系統(tǒng)發(fā)育上和蟲種問題方面長(zhǎng)期存在歧義,松干蚧是松樹上一類比較古老的昆蟲,針對(duì)我國(guó)松干蚧的蟲種問題,蚧蟲學(xué)界分類主張各不相同,湯枋德(1978)認(rèn)為分布于遼寧的松干蚧是一個(gè)新種,但是楊平瀾等(1976)認(rèn)為分布于遼、魯、江、浙的松干蚧均為日本松干蚧,楊鈐等(2006)采用優(yōu)化的RAPD 技術(shù)和篩選出的4 條長(zhǎng)度為10 bp 的隨機(jī)引物(S500、S1415、11N010145 和11N010146)對(duì)來自浙江金華、山東青島、遼寧撫順的3個(gè)松干蚧地理種群進(jìn)行DNA片段擴(kuò)增,證明這3個(gè)地理來源的松干蚧均為日本松干蚧,并由UPGMA 聚類分析推測(cè)浙江金華的松干蚧極有可能是從山東青島傳過去,此研究重新評(píng)估了松干蚧屬,為解決我國(guó)松干蚧的分布和物種問題提供了借鑒。陳航(2007)對(duì)采自不同寄主的7種紫膠蟲進(jìn)行多態(tài)性分析,聚類分析結(jié)果表明,田紫膠蟲Kerria ruralis 與尼泊爾紫膠蟲K.nepalensis、普薩紫膠蟲K.pusana 親緣關(guān)系緊密,與云南紫膠蟲K.yunnaensis、中華紫膠蟲K.chinensis 關(guān)系較遠(yuǎn),其中田紫膠蟲與中華紫膠蟲的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),信德紫膠蟲K.sindica 和紫膠蚧K.lacca 與其它5種紫膠蟲親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。該論文澄清了云南紫膠蟲與紫膠蚧、中華紫膠蟲三者之間,證實(shí)了信德紫膠蟲與紫膠蚧緊密的姐妹群,但還需要篩選出更多獨(dú)立進(jìn)化的基因標(biāo)記進(jìn)行分析和比較,才能徹底澄清紫膠蟲系統(tǒng)發(fā)育研究中存在的疑點(diǎn)。
2.1.3 微衛(wèi)星DNA 技術(shù)
SSR(Simple Sequence Repeat,簡(jiǎn)單重復(fù)序列)是指由1-6個(gè)核苷酸串聯(lián)重復(fù)而形成的核苷酸序列,也被稱為“微衛(wèi)星”,Spritz(1981)首先在珠蛋白中發(fā)現(xiàn),根據(jù)微衛(wèi)星序列兩端的互補(bǔ)序列設(shè)計(jì)引物,通過PCR 反應(yīng)擴(kuò)增微衛(wèi)星片段,將擴(kuò)增片段進(jìn)行聚丙烯酞胺凝膠電泳,依據(jù)微衛(wèi)星序列拷貝數(shù)的差異決定基因型,并計(jì)算等位基因發(fā)生的頻率(閆華超,2006)。NCBI 登陸的數(shù)據(jù)中,以雙翅目、鱗翅目和膜翅目昆蟲的微衛(wèi)星數(shù)量最多,占75%,而半翅目昆蟲的研究相對(duì)偏少。
謝映平等采用3 條微衛(wèi)星引物對(duì)日本龜蠟蚧Ceroplastes japonicus、角蠟蚧C.ceriferus、白蠟綿粉蚧Phenacoccus fraxinus、瘤堅(jiān)大球蚧和朝鮮球蚧Didesmococcus koreanus 進(jìn)行擴(kuò)增,結(jié)果顯示種內(nèi)遺傳分化程度從大到小為日本龜蠟蚧>朝鮮毛球蚧>角蠟蚧>瘤堅(jiān)大球蚧>白蠟綿粉蚧;種間的遺傳分化程度明顯低于種內(nèi)(石晶,2005;謝映平等,2007),確定了一種大規(guī)模提取蚧蟲基因組DNA 的方法,印證了朝鮮毛球蚧和瘤大球堅(jiān)蚧的遺傳關(guān)系比一直同在蠟蚧亞科的角蠟蚧和日本龜蠟蚧的遺傳關(guān)系還近,是對(duì)堅(jiān)蚧類分類地位提升的支持,也進(jìn)一步將毛球蚧類從軟蚧類分離出來歸入堅(jiān)蚧類,雖然試驗(yàn)不可能完全代表所在屬或科的遺傳多態(tài)性特征,但總體支持了湯氏分類系統(tǒng)和Hodgson 的蚧科分類系統(tǒng),此外增加蚧蟲分子研究中的單微衛(wèi)星位點(diǎn)數(shù)量是對(duì)該技術(shù)一個(gè)很有必要的補(bǔ)充。繼上述研究之后,李慧等(2014)利用5'錨定簡(jiǎn)并引物對(duì)扶桑綿粉蚧、桃小食心蟲Carposina sasakii、稻水象甲Lissorhoptrus oryzophilus等10種重要農(nóng)業(yè)害蟲進(jìn)行微衛(wèi)星DNA 篩選,發(fā)現(xiàn)扶桑綿粉蚧冗余率(重復(fù)序列的數(shù)量/總序列的數(shù)量)最高為71.7%,扶桑綿粉蚧微衛(wèi)星類型為完全型,驗(yàn)證了SSR 技術(shù)在扶桑綿粉蚧微衛(wèi)星引物篩選的有效性,為進(jìn)一步挖掘其微衛(wèi)星位點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。羅梅等(2014)利用高通量搜索的方法對(duì)扶桑綿粉蚧轉(zhuǎn)錄組中28120 條unigenes 的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索,共找到1781個(gè)SSR 位點(diǎn),發(fā)生頻率(含有SSR 的unigene 數(shù)量與總unigene 數(shù)量之比)為5.79%,SSR 的分布頻率(SSR個(gè)數(shù)與總unigene數(shù)量比)為6.33%,SSRs 的主要重復(fù)類型是單核苷酸重復(fù),SSR 重復(fù)單元的重復(fù)次數(shù)分布在5-19次之間,單核苷酸重復(fù)基序的擴(kuò)增多態(tài)性比三核苷酸重復(fù)基序的豐富,該結(jié)論驗(yàn)證了SSR 技術(shù)在低級(jí)單元中的多態(tài)性普遍比高級(jí)單元的高,為扶桑綿粉蚧遺傳多樣性分析、進(jìn)化分析及入侵生物學(xué)等提供了理論依據(jù)。
2.1.4 簡(jiǎn)單重復(fù)序列間擴(kuò)增技術(shù)
ISSR(Inter Simple Sequence Repeat,簡(jiǎn)單重復(fù)序列間擴(kuò)增)技術(shù)是在SSR 的5'或3'端加錨1-4個(gè)嘌呤或嘧啶堿基組成16-18個(gè)堿基序列,然后以此為引物,對(duì)兩側(cè)具有反向排列SSR 的一段基因組DNA 序列進(jìn)行擴(kuò)增(黃可輝,2005)。馬力等(2007)利用ISSR-PCR 方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)棗大球蚧、朝鮮毛球蚧Didesmococcus koreanus、日本龜蠟蚧 Ceroplasts japonicus 和白蠟綿粉蚧Phenacoccus fraxinus 的快速鑒定,同年又篩選出了多態(tài)性豐富的13個(gè)ISSR 引物,提供了一個(gè)適合蚧蟲的ISSR-PCR 最佳反應(yīng)體系和反應(yīng)條件的標(biāo)準(zhǔn)化程序,增強(qiáng)了ISSR 標(biāo)記技術(shù)在蚧蟲種間遺傳多樣性分析的穩(wěn)定性;Chen(2013)等運(yùn)用ISSR 和RAPD 相結(jié)合的技術(shù)對(duì)20種紫膠蟲的COI、28S 和EF-1α 進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,發(fā)現(xiàn)印度次大陸是轉(zhuǎn)移到歐亞大陸的紫膠蟲的分布中心,大陸漂移理論和現(xiàn)有的化石記錄表明紫膠蟲是從印度次大陸漂向歐亞大陸的,隨著溫度的升高,紫膠蟲可能進(jìn)入熱帶地區(qū)。此研究是在明確7種紫膠蟲的系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化關(guān)系后開展的一項(xiàng)工作(陳航,2007),雖然當(dāng)時(shí)取得了一些建設(shè)性的成果,但云南紫膠蟲、中華紫膠蟲、田紫膠蟲、尼泊爾紫膠蟲與普薩紫膠蟲5 者之間的核基因分析結(jié)果并不一致,還無法對(duì)其撲朔迷離的關(guān)系形成定論,本研究增添的ISSR 技術(shù)更加深入地比較和分析了紫膠蟲的遺傳規(guī)律和進(jìn)化機(jī)制。朱新帥等(2014)用ISSR 引物對(duì)來自新疆哈密、巴州、阿克蘇、喀什、和田5個(gè)地區(qū)共計(jì)15個(gè)棗球蠟蚧地理種群進(jìn)行多態(tài)分析,篩選出46 條ISSR 引物,并證明種群間的遺傳背景存在明顯分化,種群的遺傳多樣性與年均溫度、年均濕度呈正相關(guān),與寄主樹齡和緯度無相關(guān)性,而與海拔呈負(fù)相關(guān);為棗球蠟蚧遺傳變異、發(fā)生與環(huán)境的關(guān)系提供了理論支撐,ISSR 技術(shù)對(duì)評(píng)估和區(qū)分種群間的變異取得較好的成果,我國(guó)運(yùn)用ISSR 技術(shù)對(duì)蚧蟲的鑒定和系統(tǒng)發(fā)育的研究?jī)H山西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室稍顯成熟,但也僅僅局限于紫膠蟲,有關(guān)蚧蟲其他種類都還比較籠統(tǒng),甚至還未涉及,需要進(jìn)一步的探討。
2.1.5 DNA 條形碼技術(shù)
DNA 條形碼(DNA Barcoding)也稱DNA 條形編碼,類似于超級(jí)市場(chǎng)商品包裝上用于識(shí)別商品的粗細(xì)、間隔不同的黑白條紋圖案,是利用COI的前部長(zhǎng)約650 bp 序列作為標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確和自動(dòng)化地對(duì)物種進(jìn)行鑒定和分類,DNA 條形碼最初由加拿大圭爾夫大學(xué)(University of Guelph)的動(dòng)物學(xué)家Hebert 等(2003)提出。其技術(shù)流程包括樣品獲取、DNA 提取、PCR 擴(kuò)增、序列測(cè)定、序列比對(duì)及根據(jù)序列差異進(jìn)行判別。該技術(shù)在鱗翅目、鞘翅目、膜翅目和雙翅目等昆蟲中均有研究(Monaghan et al.,2005;Nelson et al.,2007;Fisher and Smith,2008)。
蚧蟲的DNA 條形碼研究多是將COI 基因與核基因聯(lián)合分析,例如,可將18S rDNA、16S rDNA、EF-1α 和COI 聯(lián)合作為蚧蟲分子系統(tǒng)學(xué)研究中的標(biāo)準(zhǔn)序列,以增加同源序列之間的可比性(Caterino et al.,2000;Zhang et al.,2000;Hajibabaei,2006)。Gullan 等(2003)通過擴(kuò)增COI、28S、EF-1α 基因序列及其比對(duì)分析,并結(jié)合外部形態(tài)特征發(fā)現(xiàn)了粉蚧1 新種Ferrisia gilli,并證明雙條弗粉蚧為物種復(fù)合體;隨后,又對(duì)粉蚧科腺刺粉蚧屬Ferrisia Fullaway 的6種粉蚧進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)這些粉蚧平均遺傳距離均大于4%,并建議將雙條弗粉蚧細(xì)分為6個(gè)不同的支系(Gullanet et al.,2010),因此結(jié)合形態(tài)特征上的差異可將其分為幾個(gè)不同的亞種,這無疑是對(duì)粉蚧科昆蟲分類區(qū)系的再次完善;對(duì)大洋臀紋粉蚧、柑橘臀紋粉蚧、無花果臀紋粉蚧Planococcus ficus等3種近緣種粉蚧的mtDNA COI 序列以及18S 和28S 基因序列的研究結(jié)果同樣說明蚧蟲COI 基因序列變異程度較其他基因高(何衍彪等,2007),此結(jié)論是蚧蟲DNA 條碼研究開展的先決條件。
隨著蚧蟲的mtDNA COI 受到越來越多的重視,Park 等(2011)通過重新設(shè)計(jì)COI 基因序列的正向引物,對(duì)盾蚧科和粉蚧科進(jìn)行了物種鑒定的有效性研究,揭示了介殼蟲DNA 條形碼序列核苷酸組成的特性(Deng et al.,2012);Saccaggi 等(2008)通過mtDNA COI 基因序列特征分析成功將葡萄綿粉蚧Planococcus ficus、柑橘臀紋粉蚧和長(zhǎng)尾粉蚧Pseudococcus longispinus 區(qū)別開來;同時(shí),利用引物PcoF1/LepR1 擴(kuò)增mtDNA COI 基因,實(shí)現(xiàn)了對(duì)新菠蘿灰粉蚧Dysmicoccus neobrevipes、大洋臀紋粉蚧和南洋臀紋粉蚧Planococcus lilacius 等蚧蟲的快速檢測(cè)(徐浪,2010;徐浪等,2013)。由此可知該技術(shù)在蚧蟲的鑒定可行性方面已經(jīng)毋庸置疑,除此之外,也證明了DNA 條形碼在同屬蚧蟲鑒定中的優(yōu)勢(shì)。
為進(jìn)一步開展蚧蟲DNA 條形碼系統(tǒng)研究,何衍彪等隨后又初步明確了熱區(qū)的菠蘿潔粉蚧、新菠蘿灰粉蚧在我國(guó)的分布,海南萬寧種群可能是菠蘿潔粉蚧的1個(gè)隱存譜系的結(jié)論,并發(fā)現(xiàn)mtDNA COI 基因序列有33個(gè)變異位點(diǎn)(何衍彪等,2011;何衍彪,2012),這與Rung 等(2008)對(duì)大洋臀紋粉蚧和柑橘臀紋粉蚧的鑒定結(jié)果一致;此外Ball 和Armstrong(2008)利用該技術(shù)證實(shí)了珠蚧科Margarodidae 不同地理種群介殼蟲復(fù)合種的存在;褚棟等(2009)對(duì)來自海南三亞和陵水地區(qū)的扶桑綿粉蚧mtDNA COI 測(cè)序,并與美國(guó)佛羅里達(dá)州的扶桑綿粉蚧序列進(jìn)行比較,推測(cè)扶桑綿粉蚧可能是至少含有2個(gè)隱存譜系或姊妹種的復(fù)合種,新入侵我國(guó)海南三亞和陵水地區(qū)的扶桑綿粉階是該復(fù)合種內(nèi)的1個(gè)隱存譜系或物種,且可能不是來自美國(guó)佛羅里達(dá)州;陳哲等(2012)對(duì)中國(guó)、巴基斯坦、美國(guó)的扶桑綿粉蚧mtDNA COI基因序列的堿基差異比較和遺傳距離分析進(jìn)一步驗(yàn)證了褚棟等的結(jié)論,而對(duì)于扶桑綿粉蚧另外一遺傳支系是否也入侵中國(guó)有待于擴(kuò)大樣本采集點(diǎn)和樣本數(shù)來進(jìn)一步深入驗(yàn)證。以上結(jié)果說明DNA條形碼可作為粉蚧近緣種鑒別的依據(jù),同時(shí)可有效地發(fā)現(xiàn)和揭示蚧蟲中的隱存分類單元和復(fù)合種。
繼DNA 條形碼概念提出之后,一個(gè)專門獲取、儲(chǔ)存、分析和發(fā)表DNA 條形碼記錄的數(shù)據(jù)庫—生物DNA 條形碼數(shù)據(jù)庫(DNA Barcode of Life Data,BOLD,http://www.boldsystems.org)成立,并于2007年獲得官方認(rèn)可。田虎(2013)以來自全國(guó)7個(gè)省12個(gè)不同采集區(qū)域的21種介殼蟲為靶標(biāo)構(gòu)建了介殼蟲類昆蟲DNA 條形碼數(shù)據(jù)庫,目前該系統(tǒng)可對(duì)40種介殼蟲類昆蟲進(jìn)行鑒定識(shí)別;截止到2014年12月,BOLD 中與條形碼有關(guān)的序列已達(dá)4201240 條,其中,可作為鑒定物種水平的DNA 條形碼,即每個(gè)物種有三個(gè)以上且序列長(zhǎng)度不低于500 bp 的序列為3654244 條序列(http://www.barcodinglife.org/)。其中,同翅目蚧總科下含有來自11個(gè)國(guó)家的449 條48種蚧蟲的DNA 條碼序列,見表1。其中,439 條有物種名稱,分別代表295個(gè)種類。
表1 蚧總科含DNA 條碼昆蟲種類Table 1 Insect species of Coccoidea with DNA barcoding
(續(xù)上表)
針對(duì)不同的靶標(biāo)基因匹配有不同的分子生物學(xué)技術(shù),而且各有其利弊。針對(duì)蚧蟲低級(jí)階元,即種內(nèi)或者近緣種之間的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系的分析,以上幾種分子生物學(xué)技術(shù)均可獲得預(yù)期效果。
RFLP 技術(shù)中的限制性內(nèi)切酶可以將DNA 片段消化成很小的DNA 片段,但這只是對(duì)較小的基因組,在切割大分子基因時(shí),各種片段在凝膠上相互重疊,很難區(qū)分。目前通常將RFLP-PCR 技術(shù)與雜交技術(shù)結(jié)合,但這樣造成RFLP 技術(shù)操作復(fù)雜繁瑣和放射性危害,而且RFLP 技術(shù)用于相距較遠(yuǎn)種(岐化值大于10%-15%)時(shí),因?yàn)檩^遠(yuǎn)種間的酶切片段同源性差,則不能清晰地推演種間進(jìn)化關(guān)系。
RAPD 技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了RFLP 技術(shù)的缺陷,其操作簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)受到諸多學(xué)者的偏愛,而且所用的引物沒有嚴(yán)格的種屬界限,能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量樣品分析(黃可輝,2005)。不足之處在于,RAPD 技術(shù)重復(fù)性差,對(duì)于不同試驗(yàn)對(duì)象基因組來說,究竟進(jìn)行多少引物的RAPD 篩選才能獲得足夠的基因仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
相對(duì)于RFLP 和RAPD 技術(shù),SSR 技術(shù)凝膠電泳時(shí)具有單堿基的高分辨率,SSR 序列廣泛存在于真核生物基因組的非編碼區(qū)和編碼區(qū),遺傳信息量大,一個(gè)SSR 座位可以檢測(cè)26個(gè)等位基因(孫荊濤等,2012),微衛(wèi)星分子標(biāo)記在昆蟲遷飛習(xí)性的研究中作用顯著,但是微衛(wèi)星具有較復(fù)雜變異模型,很難將種群間的遺傳距離轉(zhuǎn)化為種群分化的時(shí)間尺度,而且必須依賴每類微衛(wèi)星兩段序列設(shè)計(jì)引物,而不像RAPD 引物是隨機(jī)合成的,需前期研究基礎(chǔ),而且該技術(shù)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程的準(zhǔn)確度和精確度要求非常高,稍許差錯(cuò)就會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成很大影響(Ellegren,2004)。
隨后ISSR-PCR 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,該技術(shù)是在SSR 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,保證了可重復(fù)性,常常采用1個(gè)SSR 序列和1個(gè)引物對(duì),從而保證了引物與基因組DNA 中的SSR 的5'或3'末端結(jié)合,通過PCR 反應(yīng)擴(kuò)增SSR 之間的DNA 片段,以增強(qiáng)多態(tài)性(張立榮,2002;黃映萍,2010),無需預(yù)先克隆和測(cè)序,無需知道DNA 序列即可用引物進(jìn)行擴(kuò)增,也正因如此,一些ISSR 引物可能在特定基因組中沒有配對(duì)區(qū)域而無擴(kuò)增產(chǎn)物。
隨著研究的不斷深入,DNA 條形碼技術(shù)在蚧蟲研究中越來越受到重視,除了具有其他分子標(biāo)記手段所不具備的功能外,DNA 條碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還包括:引物通用性,積累廣泛的生物分類信息及分析進(jìn)化關(guān)系,其鑒定所需樣品量少,只需一小塊或一小片材料即可鑒定一個(gè)物種;同時(shí)可鑒定出許多群體中普遍存在的隱存分類單元(Nelson et al.,2007),這對(duì)部分形態(tài)特征不穩(wěn)定的蚧蟲的鑒定具有很好的參考價(jià)值;另外DNA 條形碼具有數(shù)字化的數(shù)據(jù)庫,因而提供了信息化的分類學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和有效的生物分類學(xué)手段,成為學(xué)科進(jìn)展最迅速的前沿之一。
3.1.1 與傳統(tǒng)形態(tài)分類學(xué)的兼容問題
分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)于大多數(shù)動(dòng)物類群都具有良好的鑒別力,其快速、準(zhǔn)確、便捷的鑒定能力,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定方法的不足,突破了以往對(duì)經(jīng)驗(yàn)的過分依賴的局限,為物種識(shí)別鑒定提供了新的研究方法和手段。然而,某些蚧蟲的模式標(biāo)本已經(jīng)遺失,有的也因年代過于久遠(yuǎn)而無法取樣,并且這些標(biāo)本通常具有重要的分類學(xué)價(jià)值,分子學(xué)方法對(duì)于標(biāo)本具有破壞性,因此從珍貴的模式標(biāo)本上獲取目的基因是不合適的。雖可以采用一般標(biāo)本的方式作為折衷,但這種處理方式可能導(dǎo)致分子系統(tǒng)與林奈分類系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)上出現(xiàn)偏差。利用分子系統(tǒng)學(xué)對(duì)蚧蟲進(jìn)行鑒定,選用rDNA還是mtDNA 的技術(shù)分析的可靠性,必須借由傳統(tǒng)分類學(xué)的驗(yàn)證,完全脫離形態(tài)學(xué)的DNA 分類是沒有意義的,需要形態(tài)學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)基因的聯(lián)合分析。
3.1.2 假基因的干擾問題
運(yùn)用不同DNA 提取方法所獲得的基因組細(xì)胞內(nèi)含有大量的DNA 序列,包括自身序列和非自身序列,核基因組里存在線粒體基因的同源序列,如果這些序列被誤用作目的基因,便會(huì)造成電泳雜帶、測(cè)序雙峰以及背景噪音模糊等,進(jìn)而影響DNA 條形碼的種群分類鑒定。假基因(pseudogene)在基因表達(dá)、基因調(diào)控以及產(chǎn)生基因多樣性等方面可能都扮演著極為重要的角色,科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)假基因并不是“垃圾基因”,但其確切的作用機(jī)制仍不清楚(Moulton et al.,2004)。假基因可分為以下兩種:一類是重復(fù)假基因,這類假基因是由于基因組DNA 重復(fù),或染色體不均等交換過程中,基因編碼區(qū)或調(diào)控區(qū)發(fā)生突變?nèi)鐗A基置換、插入或缺失,導(dǎo)致復(fù)制后的基因喪失正常功能而形成的,第二類是加工假基因或返座假基因(processed pseudos),這類假基因是由mRNA 轉(zhuǎn)錄本反轉(zhuǎn)錄成cDNA 后重新整合到基因組,由于插入位點(diǎn)不合適或序列發(fā)生突變而失去正常功能形成的,由于假基因不被表達(dá),所以細(xì)胞中不存在相應(yīng)的RNA,可通過RT-PCR 的方法予以解決(Frohman et al.,1988;Collura et al.,1996;王關(guān)林和方宏筠,1998;Lorenz et al.,2005)。諸多研究顯示提取的DNA 樣品中存在PCR 抑制物,影響擴(kuò)增效率,可加入少量牛血清蛋白或Q-solution 等洗滌樣品,或者稀釋DNA 等降低抑制,進(jìn)行二次PCR 和設(shè)計(jì)特異性引物等也是解決此問題的有效途徑(Moulton et al,2004;Juen and Traugott,2006;李凱等,2010)。
早期傳統(tǒng)的形態(tài)分類法為蚧蟲的分類鑒定奠定了基礎(chǔ),但目前僅僅依靠形態(tài)學(xué)資料還不能完全解決蚧蟲的系統(tǒng)分類問題。80年代以來分子生物學(xué)的迅速發(fā)展,并滲入系統(tǒng)與進(jìn)化研究中而形成了一門新興交叉學(xué)科-昆蟲分子生物學(xué),為昆蟲系統(tǒng)學(xué)的研究和發(fā)展增添了新的活力。分子生物學(xué)技術(shù)主要針對(duì)于形態(tài)特征極其相似的近緣種、復(fù)合種及種以下的亞種、生物型、地理種群的識(shí)別和鑒定,能解決傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)分類方法難以解決的問題。如何從豐富的蚧蟲DNA 信息中篩選出準(zhǔn)確有效地鑒別物種的片段是很關(guān)鍵的。鑒于DNA條形碼相對(duì)于其他分子生物學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),在鱗翅目、鞘翅目等昆蟲中已有很成熟的DNA 條形碼數(shù)據(jù)庫建立,蚧蟲的COI 基因長(zhǎng)度約為1500 bp,究竟哪一段可以作為蚧蟲的基因條形碼尚無定論。
部分蚧蟲屬種間差異率很小,不同物種需要使用不同的基因序列以完成其DNA 條形碼的構(gòu)建,單一的COI 序列不能夠完全做到區(qū)分的目的,增加分析基因的數(shù)量是確保準(zhǔn)確分類的有效途徑,因此需要聯(lián)合一些其他基因比如核內(nèi)基因來增加標(biāo)記數(shù)(Moritz and Cicero,2004)。對(duì)于不同地理來源的昆蟲,DNA 條形碼在建立鑒定技術(shù)和物種系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系時(shí)并不能準(zhǔn)確區(qū)分地區(qū),即其具有區(qū)域性研究的限制;另有學(xué)者指出DNA 條形碼對(duì)于新分化的種群也存在欠缺之處,只能作為分類學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)新物種的線索;對(duì)于長(zhǎng)度變異較大的條形碼序列(如非編碼基因PsbA-trnH),在比對(duì)方法的確定以及對(duì)插入和缺失的處理方面仍存在較大爭(zhēng)議,分類非常困難,雖然有一些解決途徑被提出,但仍需改進(jìn)。
總體來說,相對(duì)國(guó)外逐漸發(fā)展的分子體系,國(guó)內(nèi)蚧蟲DNA 條形碼研究尚處于起步階段,有關(guān)蚧蟲類昆蟲的分子分類研究體系較弱,作為一種標(biāo)準(zhǔn)的物種鑒定方法,DNA 條形碼技術(shù)有著巨大的科學(xué)應(yīng)用潛力,尤其在蚧蟲分類學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用前景更為顯著,隨著生物技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)建蚧蟲完整的DNA 條形碼序列數(shù)據(jù)庫將是很好的發(fā)展方向。
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