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基于线粒体基因组全序列的鲟形目鱼类的分子系统发育重建

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    系统发育学是很实用的基础科学。一名生物学者看到一只昆虫,一棵树,一条鱼,首先会疑问这是什么类的昆虫,什么科的树,什么属的鱼?系统发育学就是回答这些问题的学科。昆虫有什么纹路的翅膀,树有什么颜色形状的叶子?鱼有什么特征的尾巴?依据物种的可辨特征对比归类,重建共同的祖先关系,在此基础上将分类单元归类,从而建立自然的分类系统,就是系统发育学。事实上,系统发育学就是生物学意义上研究物种分类的学科,旨在构建人类对物种认知和鉴别的框架。

 

  我们现在常用的鱼类志,植物检索表等,都是系统发育学的研究成果。表型形态特征,骨骼解剖形状等形态特征是系统发育学研究的主要依据,然而形态特征也有局限的缺点,比如异源同形难以辨认,同源特征无法准确判定等等。系统发育学认为,最能或唯一反映系统发育关系的依据是分类单元之间的亲缘关系,因此分子系统发育学应运而生。简单说,分子系统发育是利用不同的分子标记作为分类特征,来研究生物系统发育和进化过程。现代分子系统发育能够有效解决形态系统发育研究中遗留的困难问题。

 

  以鲟鱼类为例,作为最古老的鱼类之一,其化石记录最早可以追溯到2亿年前的白垩纪时代,因此鲟类在鱼类,乃至整个脊椎动物进化史上都占有极其重要的地位,被誉为鱼类中的“活化石”。近些年来,持续受到广泛关注的白鲟、中华鲟、长江鲟都是我国的鲟类特有种(图 1,图 2)。虽然基于形态特征,将现生鲟形目鱼类共分为2科6属27个有效种。但在过去的20多年里,基于形态学特征及分子数据对鲟形目鱼类的系统发育关系进行了广泛探讨,仍未取得一致意见。目前鲟形目鱼类分类的主要问题是,鲟科的基础类群是铲鲟属还是尖吻鲟类?形态学分类的鲟属和鳇属的单系性是否有效?鲟科的内部系统发育关系究竟是怎样的?这些都是迫切需要解决的问题。


图 1 已消失的白鲟


图 2 极度濒危的中华鲟


    本研究为厘清鲟形目鱼类的系统发育关系,重新测定了6种鲟类的线粒体全基因组序列,并联合已测的17种鲟类的线粒体基因组数据,利用最大似然法和贝叶斯法重建了鲟形目鱼类的分子系统发育关系。结果显示,鲟形目的两个科,匙吻鲟科和鲟科为单系群;鲟科的鲟属和鳇属均不构成单系群;鲟科内部可以分为3个类群:尖吻鲟类、大西洋鲟类和太平洋鲟类(图 3)。为了进一步验证分子系统发育结果的有效性,我们还采用了似然值检验对不同的树拓扑结构进行了评价。虽然我们最新的研究更新了鲟形目鱼类分子系统发育的认知,尤其是确认了铲鲟属是大西洋鲟类的基部类群。综合考虑到现有的分子系统发育结果同形态学分类有许多不一致,未来仍需要联合形态学数据,尤其是鲟类化石祖先的关键特征进行综合分析,才能进一步为鲟科属的分类及属间的亲缘关系提供更加清晰的认识。



图 3 基于23种鲟形目鱼类的线粒体全基因组构建的分子系统发育树




基于线粒体基因组全序列的鲟形目鱼类(Pisces: Acipenseriformes)的分子系统发育重建

程佩琳 1 俞 丹 2 刘焕章 2 杜 浩 1 危起伟 1

(1. 中国水产科学研究院长江水产研究所, 农业农村部淡水生物多样性保护重点实验室, 武汉 430223; 2. 中国科学院水生生物研究所水生生物多样性与保护重点实验室, 武汉 430072)

摘要: 为厘清鲟形目鱼类的系统发育, 研究新测定了中华鲟(Acipenser sinensis)、长江鲟(A. dabryanus)、短吻鲟(A. brevirostrum)、纳氏鲟(A. naccarii)、鳇(Huso dauricus)和匙吻鲟(Polyodon spathula)共6种鲟类的线粒体全基因组序列。联合已测的17种鲟类的线粒体基因组数据, 利用最大似然法和贝叶斯法重建了鲟形目鱼类的分子系统发育关系, 并采用似然值检验对不同的树拓扑结构进行了评价。结果表明, 6种新测鲟类的线粒体基因组大小为16521—16766 bp, 编码13个蛋白质编码基因、22个转运RNA基因和2个核糖体基因, 与大多数已测的鲟类的线粒体基因组结构高度相似。基于23种鲟形目鱼类线粒体基因组数据, 系统发育分析的结果表明: (1)鲟形目的两个科, 匙吻鲟科(Polyodontidae)和鲟科(Acipenseridae)均为单系; (2)鲟科的内部亲缘关系复杂, 鲟属和鳇属的物种均不构成单系群。鲟科鱼类按分子系统发育重建结果可以分为3个类群: 尖吻鲟类(A. sturio - A. oxyrinchus clade)、大西洋鲟类(Atlantic clade)和太平洋鲟类(Pacific clade)。树拓扑结构的检验结果表明, 鲟科的系统发育关系为(尖吻鲟类(太平洋鲟类, 大西洋鲟类))。铲鲟属(Scaphirhynchus)是大西洋鲟类的基部类群。研究也说明线粒体基因组数据在鲟形目鱼类系统与进化研究方面具有重要应用价值。


本文发表在《水生生物学报》2021453期,页码: 487-494. doi:10.7541/2021.2020.050. 第一作者是中国水产科学研究院长江水产研究所的程佩琳,通信作者为危起伟研究员。



期刊介绍

  • 创刊:1955年  双月刊
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院水生生物研究所;中国海洋湖沼学会
  • 主编:桂建芳
  • ISSN 1000-3207
  • CN 42-1230/Q

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