（农业昆虫与害虫防治专业论文）榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因的分子进化.pdf

山东农业大学硕士学位论文 摘要 视觉是动物感知周围环境最重要的途径之一，为了适应各自的环境， 动物的视觉系统也进化出多种多样的形态。虽然视觉系统存在形态上的多 样性，但动物对环境中光信号的敏感性都依赖于一类相似的物质，即视 觉色素。视觉色素由一分子视蛋白脱辅蛋白和一分子来源于维生素a 的衍 生物的发色团组成，发色团以希夫碱的形式共价连接在视蛋白脱辅蛋白第 七个跨膜区的一个赖氨酸残基上，起到感受光的作用。一般通过最大吸收 光波波长( 入啪。) 来描述视觉色素。视觉色素的光谱敏感性是由视蛋白跨膜 区q 螺旋的氨基酸侧链与发色团的专一性相互作用来调节的，由于大多数 视觉色素含有相同的发色团，所以视觉色素最大吸收光波波长值是由视蛋 白序列上的变化引起的。 视蛋白家族成员很多，既有与视觉系统相关的视蛋白，也有许多非视 觉系统成员的视蛋白被发现在动物的不同组织内表达。在脊椎动物中，根 据最大吸收光波波长的不同，视觉系统视蛋白主要分l w s 、s w s l 、s w s 2 、 r h 2 和r h l ，昆虫视觉系统视蛋白的区分与脊椎动物的类似。新基因是由 已存在的基因通过序列和功能上的分化产生的，视蛋白基因也是如此。7 亿年前开始，伴随着脊椎动物和无脊椎动物物种的分化，祖先视蛋白基因 历经了一系列独立的基因复制事件，产生了几类视蛋白基因。在动物进化 过程中，不同种类的视蛋白基因经历了基因复制、基因丢失和引起功能改 变的氨基酸替代，使得不同物种视蛋白组成出现多样化的状态。 昆虫在大自然中占据多种多样的生态位，拥有不同的行为方式，它们 的视觉系统也会发生相应的适应性进化。在榕树与榕小蜂这一典型的互利 共生体系中，榕小蜂一生所处的光环境非常特殊。一般情况下，榕小蜂的 雄蜂终生生活在果内，复眼退化、单眼缺失，而雌蜂需要出果寻找其它榕 果完成传粉或产卵的使命，它们复眼发达。榕果是一个密闭的结构，在榕 果内黑暗的空间内，应当没有什么光信息，特别是穿透力很弱的紫外线。 一些研究中发现紫外线对很多动物都有重要意义，在与榕小蜂亲缘关系较 近的蜜蜂中被证明的有对花的寻找和识别、偏振视觉和飞行定向。与自身 所处的光环境的特殊性相适应，榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因的进化必然 有自身的规律。 榕小蜂紫外线敏感视蛋白基冈的进化 紫外线对榕小蜂视觉是否有意义? 榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因会 不会有榕果特异性? 在传粉榕小蜂与非传粉榕小蜂中是否有差别? 为了 解决这些问题，我们扩增了分布于4 种榕树上的1 3 种榕小蜂的紫外线敏感 视蛋白基因c d n a 片段和一种榕小蜂的紫外线敏感视蛋白基因c d n a 全 长。对这些序列的比较及系统发育分析表明，它们都属于紫外线敏感视蛋 白支系，编码有紫外线敏感功能的视蛋白。大部分榕小蜂的紫外线敏感视 蛋白基因序列高度保守，且表现出了某种程度上的趋同进化，因此该基因 片段无法被用来做系统发育分析的分子标记。我们也对这些序列进行了选 择压力的分析和祖先状态重建，筛选出了2 个正选择位点，没有发现任何 平行变化或趋同变化位点。这说明榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因可能接受 较弱的正选择。 关键词：榕小蜂，视觉，视蛋白，适应，紫外线，正选择 2 山东农业人学硕士学位论文 a b s t r a c t v i s i o ni so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tw a y s t o p e r c e i v e a m b i e n t e n v i o r e n m e n ti na n i m a l s t h ev i s u a ls y s t e m si na n i m a l sv a r ya m o n gs p e c i e sa s a c o n s e q u e n c eo fa d a p t i v ee v o l u t i o n a l t h o u g h t h ev i s u a l s y s t e m sa r e p h e n o t y p i c a l l yd i v e r s e ，t h es e n s i t i v i t yo f a n i m a l st ov i s u a ls i g n a l si sb a s e do n t h es a l t l ek i n d o fs u b s t a n c e ，t h ev i s u a lp i g e m e n t s av i s u a l p i g m e n ti s c o m p o s e do fa no p s i na p o p r o t e i na n dav i t a m i na d e r i v e dc h r o m o p h o r e ，t h e c h r o m o p h o r ea t t a c ht ol y sr e s i d u ec o v a l e n t l yi nt h es e v e n t ht r a n s m e m b r a n eo f t h eo p s i na p o p r o t e i nt h r o u g has c h if f sb a s e l i n k a g e ，r e s p o n s e sf o rl i g h t a c t i v a t i o n v i s u a lp i g m e n t sa r eo f t e nc h a r a c t e r i z e db yt h ew a v e l e n g t ho f m a x i m a la b s o r p t i o n ( h x ) t h es p e c t r a ls e n s i t i v i t yo fav i s u a lp i g m e n ti st u n e d b ys p e c i f i c i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e c h r o m o p h o r ea n d t h es i d ec h a i n so f t r a n s m e m b r a n ea - h e l i x e so fo p s i na p o p r o t e i n a sm o s tv i s u a lp i g m e n t sr e c r u i t t h es a m ec h r o m o p h o r ei na n i m a l s ，o b s e r v e dv a r i a t i o ni n 入n a xo fav i s u a l p i g e m e n t i sc a u s e db yv a r i a t i o ni no p s i ns e q u e n c e t h eo p s i nf a m i l yh o l d sal o to fm e m b e r s ，w i t hs o m er e l a t e dt ot h ev i s u a l s y s t e m ，a n dm a n yn o n - v i s u a lo p s i n se x p r e s s e di nd i f f e r e n tt i s s u e so fa n i m a l s a c c o r d i n gt ot h ew a v e l e n g t ho fm a x i m a la b s o r p t i o n ，v e r t e b r a t eo p s i n sc o u l d b ed i s t i n g u i s h e da sf i v ec l a s s e s ：l w s ，s w s1 ，s w s 2 ，r h 2a n dr h l i n s e c t o p s i n sa r ec h a r a c t e r i z e di nas i m i l a rw a y f o l l o w i n gt h ed i v e r g e n c eo ft h e a n c e s t r a lv e r t e b r a t ea n di n v e r t e b r a t es p e c i e s ，a b o u t7 0 0m i l l i o n sy e a r sa g o ，t h e a n c e s t r a lo p s i ng e n eu n d e r w e n tas e r i e so fi n d e p e n d e n td u p l i c a t i o ne v e n t s ， p r o d u c i n g s e v e r a lk i n d so fg e n e s e n c o d i n g d i f f e r e n t o p s i n s i n t h e e v o l u t i o n a r yh i s t o r yo fa n i m a l s ，d i f f r e n to p s i ng e n el i n e a g e sd i v e r s i f i e db y g e n el o s s e s ，g e n ed u p l i c a t i o n sa n df u n c t i o n a l t e r i n ga m i n oa c i ds u b s t i t u t i o n s i n s e c t so c c u p yd i v e r s en i c h e si nn a t u r ea n dh a v ed i f f e r e n tb e h a v i o u r p a t t e r n s ，a n dr e l e v a n ta d a p t i v ee v o l u t i o na r i s e si nt h e i rv i s u a ls y s t e m s i nt h e m u t u a l i s ms y s t e mo ff i gw a s p sa n dt h e i rh o s tf i g s ，t h el i g h te n v i r o n m e n ti n w h i c hf i gw a s p sl i v ei sv e r ys p e c i a l g e n e r a l l y ，m a l ef i gw a s p ss p e n da l lt h e i r l i v e si nt h es y c o n i u mo ff i g ，a n dt h e yh a v ev e s t i g i a l e y e sa n dn oo e e l l i h o w e v e r ，t h ef e m a l ef i gw a s p sh a v et oe m e r g ef r o mt h ef i gs y c o n i u ma n d s e a r c hf o ra n o t h e r s y c o n i u mt o f i n i s ht h e p r o c e s s o fp o l l i n a t i o na n d o v i p o s i t i o n ，a n dt h e yh a v ed e v e l o p e dc o m p o u n de y e s t h ee n c l o s e ds y c o n i u m s e e m st ob eac o m p l e t ed a r kc a v i t y ，w i t hn ol i g h ts i g n a l se x i s t i n gi n s i d e ， 3 榕小蜂紫外线敏感视蛋白菜因的进化 e s p e c i a l l yf o rt h ew e a k - p e n e t r a b l eu vl i g h t u vl i g h tp l a y sag r e a tr o l ei n m a n ya n i m a l s f o re x a m p l ei nt h eb e e s ，w h i c ha r ep h y l o g e n e t i c a l l yc l o s e r e l a t e dt of i gw a s p s ，u vi sp r o v e dt ob er e s p o n s i b l ef o rf l o w e r sd e t e c t i n ga n d r e c o g n i z i n g ，p o l a r i z e dv i s i o na n df l y i n go r i e n t a t i o n a s ac o n s e q u e n c eo f a d a p t a t i o nt ot h el i g h te n v i r o n m e n ti nw h i c ht h e yl i v e ，t h eu v s e n s i t i v eo p s i n s o ff i gw a s p sm a yh a v ee v o l v e di nas p e c i a lw a y d o e su vl i g h tp l a yar o l ei nt h ev i s o no ff i gw a s p s ? a r et h eu vs e n s i t i v e o p s i ng e n e sr e s t r i c t e dt of i g s ? i st h e r ea n yd i f e r e n c ei nt h i sg e n eb e t w e e nt h e p o l l i n a t o r sa n dn o n p o l l i n a t i n gf i gw a s p s ? t of i g u r eo u tt h e s eq u e s t i o n s ，w e c l o n e daf u l l l e n g t hu vs e n s i t i v eo p s i ng e n ee d n af r o maf i gw a s ps p e c i e s a n dp a r t i a lu vs e n s i t i v eo p s i ng e n ee d n as e q u e n c e sf r o mo t h e r13f i gw a s p s p e c i e s t h e s e14f i gw a s ps p e c i e sa r eh o s t e di nf o u rd if f e r e n tf i gs p e c i e s c o m p a r i s i o na n dp h y l o g e n e t i ca n a l y s i s o ft h e s es e q u e n c e si n d i c a t e st h e y b e l o n gt o t h eu vs e n s i t i v eo p s i ng e n el i n e a g e ，e n c o d eo p s i n sw h i c ha r e r e s p o n s i b l e f o ru vl i g h t m o s to ft h eu vo p s i n si n f i gw a s p sa r et o o c o n s e r v a t i v ea n ds h o wap a t t e r no fc o n v e r g e n te v o l u t i o n ，s ot h e ys e e mt ob e u n s u i t a b l ea sam o l e c u l a rm a r k e rf o rp h y l o g e n e t i ca n a l y s i s w ea l s oc o n d u c t e d s e l e c t i o nt e s ta n a l y s i sa n da n c e s t r a l - s t a t er e c o n s t r u c t i o n t w os i t e sw e r ef o u n d t ob eu n d e rp o s i t i v es e l e c t i o n b u tn op a r a l l e lo rc o n v e r g e n tc h a n g ew a s o b s e r v e d t h i ss u g g e s t st h a tu vs e n s i t i v eo p s i ng e n e si nf i gw a s p sa r eu n d e r w e a kp o s i t i v es e l e c t i o n k e yw o r d s ：f i gw a s p ，v i s i o n ，o p s i n ，a d a p t a t i o n ，u v ，p o s i t i v es e l e c t i o n 4 符号说明 b p ：b a s ep a i r ，碱基对 c d n a ：c o m p l e m e n t a r yd n a ，互补d n a 幽：非同义替换速率 西：同义替换速率 d e p c ：d i e t h y l p y r o c a r b o n a t e ，焦碳酸二乙酯 d t t ：d i t h i o t h r e i t o l ，二硫苏糖醇 e b ：e t h i d i u mb r o m i d e ，溴化乙锭 i p t g ：i s o p r o p y l 伊d 一1 一t h i o g a l a c t o p y r a n o s i d e ，异丙基一b d 一硫代半乳糖苷 l b ：l u r i a b e r t a n i ，l b 培养基 m e ：m i n i m u me v o l u t i o n ，最小进化法 m l ：m a x i m u ml i k e l i h o o d ，最大似然法 m p ：m a x i m u mp a r s i m o n y ，最大简约法 n j ：n e i g h b o r j o i n t i n g ，邻接法 p c r ：p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，聚合酶链式反应 r a c e ：r a p i da m p l i f i c a t i o no f c d n ae n d s ，c d n a 末端快速扩增 u v ：u l t r a v i o l e t ，紫外线 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学 研究所取得的成果。对在论文研究期问给予指导、帮助和做出 重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责 任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸 质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学 位论文，同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：塑 导师签名：塑 e l 期：唑选 山东农业大学硬士学位论文 第一章视蛋白研究进展 l 视蛋白简介 1 1 视蛋白结构特点 在自然界中，伴随着生物进化的历程，视觉系统也呈现多种多样的形 式，最简单的眼睛结构是存在于绿藻中的眼点( d e i n i n g e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 。尽 管视觉系统存在着形态上的多样性但是生物体对环境中光信号的接收都 依赖一类相似的结构物质，即视觉色素。视觉色素由一分子视蛋白与一分 子发色团组成，视蛋白是一种典型的具有七次跨膜结构g 蛋白耦联受体蛋 白( 图) 。与视觉色素中与视蛋白相连的发色团是几种维生素a 的衍生 物，大多数情况下是1 1 - c i s 视黄醛( n a t h a n $ ，1 9 9 9 ) ，它们与视蛋白第七个跨 膜区上的赖氨酸( k 2 9 4 ) ( 1 9 l1 - 1 ) 9 希夫碱的形式相连( b i r g e ，1 9 9 0 ) ，起到感 受光的作用。 圈i lo p s i n 蛋白二级结构( a m h e i t e r ，1 9 9 8 ) f i g l is e c o n d a r ys 呻t u w o f o p s i n 由于发色团的形式只有少数几种，不同的视觉色素对不同光的敏感性 主要是由视蛋白决定的。视觉信号的产生起始于发色团吸收电子产生了构 型的变化，从而接到了视蛋白构象的变化，引起一系列信号转导过程，其 中唯一的光敏感步骤就是发色团对光的吸收过程( c h a n ge ta l ，1 9 9 6 ) 。对视 蛋白基因的系统发育分析发现，视蛋白基因在动物发展成脊椎动物和高等 无脊椎动物时或之前发生了基因复制事件，后来分化成主要的两个分支， 即无脊椎动物和脊椎动物的视蛋白，两类视蛋白主要区别在信号转导过程 中的的g 蛋白类型不同，以及与其相连的发色团再生方式的不同，脊椎动 “劈歹r】一期i l ：冀 哳h 一 一 _ | ! 榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因的进化 物当中，发色团使用之后会在与视蛋白分离，由临近的视觉受体细胞产生 新的发色团供使用；而在无脊椎动物的光受体细胞中，发色团通过光化学 互变重复使用的( a r n h e i t e r ，1 9 9 8 ) 。这种区别是由视蛋白第三个跨膜区上的 一个氨基酸残基决定的( y 1 0 3 ) ( 图1 1 ) ，在大多数无脊椎动物，及黑视素蛋 白中是芳香族氨基酸( g i i r t n e ra n dt o w n e r , 1 9 9 5 ) 。 1 2 非视觉系统视蛋白 视蛋白家族的有上千种之多，除了与视觉系统相关的视蛋白之外，还 有一系列非视觉系统的视蛋白被发现，脊椎动物中最早发现的非视觉系统 视蛋白是位于视网膜色素上皮细胞中的视网膜色素上皮g 蛋白耦联受体， 与1 1 顺视黄醛的形成有关( c h e np ，2 0 0 1 ) ；脊椎动物中首先在x e n o p u s l a e v i s 皮肤黑色素细胞罩发现了黑素视蛋白m e l a n o p s i n ，原位杂交实验发现 在虹膜和内视网膜中都有表达( p r o v e n c i oe ta 1 ，1 9 9 8 ) ，之后在猴子和老鼠 的内视网膜中也有发现( p r o v e n c i oe ta 1 ，2 0 0 0 ) ；蜗牛中发现有周视蛋白 ( p e r o p s i n ) 在视网膜色素上皮细胞中表达( m i t s u m a s ak o y a n a g i ，2 0 0 2 ) ，近年 在蜜蜂的脑中发现有p t e r o p s i n 的表达，通过对其序列和内含子未知的分析 发现它更接近于脊椎动物的视蛋i 兰t ( v e l a r d ee ta 1 ，2 0 0 5 ) 。神经视蛋白是最 近发现的哺乳动物视蛋白( t a r t t e l i ne ta 1 ，2 0 0 3 ) ，虽然还没有发现脑、脊髓、 睾丸等组织固有的光敏感性，但是神经视蛋白在他们中的功能还未知。现 在已经证实黑视素蛋白确实是信号转导作用的视觉色素，神经视蛋白可能 为黑视素蛋白提供发色团( k u m b a l a s i r ia n dp r o v e n c i o ，2 0 0 5 ) ；脑视蛋白与神 经视蛋白有一些相似，这两种非视觉视蛋白都是在脑中表达( b l a c k s h a w a n ds n y d e r ，1 9 9 9 ) 。 2 视蛋白基因的进化 2 1 视蛋白基因的起源与类型 新基因是由己存在的基因通过序列和功能上的分化产生的，这一点通 过对球蛋白氨基酸序列的研究可以被证明。在这个过程当中，存在着基因 复制的过程。根据达尔文的结论，现存的所有的生物都有共同祖先，地球 上的生命最早出现在3 5 亿年前，这样一个最近共同祖先( l u c a ) 的基因组 里包含了现在所有生物基因的祖先形式，在生物进化的历程中，产生了许 多多基因家族。g 蛋白耦联受体蛋白基因家族也是属于其 ( k l a r e ，2 0 0 4 ) 。 6 山东农业大学硕士学位论文 自然环境中的光是由光子的形式被生物的视蛋白受体感知的，在动物中， 对光的敏感性有很多作用，最重要的当然是视觉，自从7 亿年前，随着脊 椎动物和无脊椎动物物种的分化，祖先视蛋白基因经历了一系列独立的基 因复制事件，呈现多样化的形式( o o t a a n ds a i t o u ，1 9 9 9 ) 。 在脊椎动物当中，主要有五类视觉系统视蛋白基因的分支，经过四次 连续的基因复制事件形成( y o k o y a m a ，2 0 0 0 ) ：l w s 、s w s l 、s w s 2 、r h 2 和r h l ，它们是根据对不同波长的光具有的敏感性来区分的，l w s 的光谱 敏感范围是5 1 0 5 6 0 n m ；s w s l 是3 6 0 4 3 0 n m ：s w s 2 是4 4 0 4 6 0 n m ；r h 2 是 4 7 0 5 1 0 n m ；r h l 大约在5 0 0 n m ( 图1 2 ) 。通过对基因分化速率的估计，r h l 与r h 2 实在大约5 亿年前分化的，出现在有颌脊椎动物与无颌脊椎动物分 离之后( c o l l i ne ta 1 ，2 0 0 3 b ) ；色觉是最先在祖先无颌脊椎动物中进化的 ( t r e z i s ea n dc o l l i n ，2 0 0 5 ) 。 图1 2 脊椎动物视觉系统视蛋白基因的系统发育关系 f i g l 一2p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i po fo p s i ng e n e si nv e r t e b r a t e 昆虫的视蛋白也是根据其光谱峰值的范围来分的，与脊椎动物类似。 已研究的昆虫当中，大部分都有绿光感受器，光谱敏感峰值在大约5 3 0 n m ， 紫外线感受器，光谱峰值大约在3 5 0 n r n ，蓝光感受器峰值大约在4 4 0 n m ， 7 榕小蜂紫外线敏感视蛋白幕因的进化 在蜻蜒目、膜翅目、鳞翅目以及鞘翅目的一些物种中还发现过红光感受器， 光谱峰值在大于5 6 5 n m ( b r i s c o ea n dc h i t t k a ，2 0 0 1 ) 。 2 2 动物的视觉受体 2 2 1 视觉受体细胞的类型 从形态上看，动物的光受体细胞可以分为两类，弹状( r h a b d o m e r i c ) 细 胞和睫状( c i l i a r y ) 细胞，它们主要区别是在与光色素连接的细胞膜结构的 不同，弹状细胞使用顶端微绒毛，睫状细胞使用细胞膜扩展成的睫状体。 弹状细胞光受体使用g 。或g o 一介导的g 蛋白耦联信号级联过程，睫状细胞 光受体使用的是g 。介导的g 蛋白级联过程。弹状细胞进行的是对光的去极 化反应，睫状细胞进行的是对光的超极化反应。根据这两种光受体使用的 光色素可以分为两大类视蛋白，弹状视蛋白和睫状视蛋白( y o k o y a m a ， 2 0 0 0 ；a r e n d t ，2 0 0 1 ) 。目前己知的弹状细胞视觉受体存在于原口动物 ( p r o t o s t o m e s ) q b ，这个类群包括大多数无脊椎动物；睫状细胞光受体存在 于后口动物( d e u t e r o s t o m e s ) 当中，这个类群包括脊索动物( c h o r d a t e s ) 。但是 也有研究发现一些生物中，可能两类光受体都存在，例如蜜蜂中发现了表 达于脑中的p t e r o p s i n ( v e l a r d ee ta 1 ，2 0 0 5 ) ；沙蚕中发现了脑中表达有两类 光受体( a r e n d te ta 1 ，2 0 0 4 ) ；海胆的基因组中也有这样的发现( r a i b l ee ta 1 ， 2 0 0 6 ) 。 2 2 2 动物的二重视觉系统 动物的大多数物种都含有两类重叠的不同的视觉系统，他们行使着各 自不同的功能，一种是暗适应( s c o t o p i c ) 的视觉，对弱光有反应，另一种是 光适应的( p h o t o p i c ) ，对亮光有反应，服务于色觉。在脊椎动物中，这样 的两类视觉系统是由视杆细胞( r o d s ) 和视锥细胞( c o n e s ) 两种不同的光敏 感细胞组成的，他们存在于脊椎动物的视网膜中。色觉需要至少两种不同 的光受体细胞，一般情况下，脊椎动物只有一类视杆细胞是，是单色的 ( m o n o c h r o m a t i c ) ，它在夜间起作用，可以感知光线的强弱，但对于色觉无 作用；视锥细胞包括不同的种类，神经系统通过对不同的视锥细胞收集的 光信息进行比较产生色觉( b o w m a k e ra n dh u n t ，2 0 0 6 ) 。脊椎动物的几类视 蛋白基因中，r h l 在视杆细胞中表达，其他几种都是在视锥细胞中表达。 来自于视杆细胞的神经冲动首先经过神经中枢，在这里被用作与周围细胞 山东农业大学硕士学位论文 的信息相比较，通过神经中心后，这些冲动进一步到达视觉皮层从而对光 信息进一步处理。在视锥细胞当中，信号通过各种各样的途径到达大脑， 多数哺乳动物当中，二级细胞将临近视锥细胞的信号联合，然而在灵长类 当中，发展出了视网膜中心视锥细胞和微小二级细胞间一对一的联系 ( p i c h a u de ta 1 ，1 9 9 9 ) 。昆虫的的光受体是由以小跟( o m m a l i d i a ) 为单位组成 的，也呈现一种二重系统。所有的昆虫都有短的视觉纤维与视叶的薄板部 位相连，它们的作用是在对弱光反应和运动侦查方面起作用( k i r s c h e f e l d a n d f r a n c e s c h i n i ，1 9 6 8 ；k i r s c h e f e i dk ，1 9 6 8 ；m i l l e r g ，1 9 8 1 ) ，可能相当于脊 椎动物的视杆细胞。另一个系统中。长视觉纤维与髓质相连，服务于色觉， 所以与脊椎动物的视锥细胞功能相j 咀( p i c h a u de ta l ，1 9 9 9 ) 。 2 3 视蛋白基因的进化研究 2 31 脊椎动物视蛋白基因的进化 在动物进化的过程中，各类视蛋白基因通过发生基因复制和丢失事 件，不同物种的组成出现多样化的状态( 图1 3 ) 。 dy e m a g o ， 5 7 05 1 04 3 9 , 1 0 93 6 32 私52 0 61 4 56 60 物 凹l - 3 脊推动物说蛋白璀闪家铁进化史正矬( t r e z i s ca n d c o l l i ，2 0 0 5 ) f i g l - 3r e c o n s t r u c t i o n o f t h ec v o l m i o n a r yh i s t o r yo f t h ev e r t e b r a t eo p s i ng e n e f a m i l y 疆 薅芦帮 榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因的进化 无颌鱼类是很古老的类群，它们分为七鳃鳗( l a m p r e y ) 并f 1 k 目鳗两个 类群。北半球的七鳃鳗含有两类光受体，一种视杆细胞受体，光谱敏感峰 值是5 1 0 5 2 0 n m ；一种视锥细胞受体，光谱敏感峰值在约 5 5 0 n m ( g o v a r d o v s k i ia n dl y c h a k o v ，19 8 4 ；i s h i k a w ae ta 1 ，19 8 7 ；h z i r o s ia n d k l e i n s c h m i d t ，1 9 9 3 ) 。在南半球的七鳃鳗物种当中，也只有一个类型的视 杆细胞受体，但是在g e o t r i aa u s t r a l i s 中发现了多重光谱类型的视锥细胞 ( c o l l i ne ta 1 ，2 0 0 3 a ) 。这个物种有5 个视蛋白基因( c o l l i ne ta 1 ，2 0 0 3 a ) ，其中 三种分别是有颌脊椎动物的l w s 、s w s 2 和s w s l 的直系同源基因，但是 它的r h a 和r h b 与r h l 和r h 2 就相差甚远( b o w m a k e r , 2 0 0 8 ) 。软骨鱼类( r a y a n ds h a r k ) 在大约4 亿年前分化出来，所以他们应当可能含有4 种主要的脊 椎动物视锥细胞视蛋白。实际上，一些种类有纯粹视杆细胞组成的视网膜， 有的物种中视杆细胞兼有暗适应和光适应的功能( d o w l i n ga n dr i p p s ，1 9 9 0 ； r i p p sa n dd o w l i n g ，1 9 9 0 ) 。硬骨鱼( t e l e o s t ) 包含一些近缘的脊椎动物类群， 视觉能力的范围也很广泛，从深海到浅水生活得物种中，视觉可以从纯粹 的视杆细胞视觉到四色视觉系统( b o w m a k e r ，2 0 0 8 ) 。非洲马拉维湖中的丽 鱼( c i c h l i d ) 是证明视蛋白基因复制的很好的一个例子，在这个湖中，最近 几百年的时间里，居然进化出7 0 0 多个物种，这样快速的物种形成正是由 视觉驱动的( s e e h a u s e ne ta 1 ，2 0 0 8 ) 。成年非洲丽鱼一般拥有3 种视锥细胞视 觉色素，在长波和短波的位置单一视锥细胞的光谱敏感曲线会是双峰的， 视锥细胞的光谱敏感峰值也随着物种不同有所变化。在一些物种当中，视 网膜中表达的视锥细胞视觉色素至少有7 个光谱类型( p a r r ye ta 1 ，2 0 0 5 ) ，三 种r h 2 类的，两种s w s 2 类的，l w s 和s w s l 类的各一种( s p a d ye ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 在丽鱼中发现了最近的一次r h 2 a 复制事件，一千万年中，产生了光谱敏 感峰值仅差1 0 2 0 n m 的两个基n ( p a r r ye ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 根据中性进化的理论，基因会不断地发生突变，如果没有选择压力， 随着突变的增多，这个基因的功能必然会最终消失。丽鱼中的几类视蛋白 基因的保留，说明他们都是有用途的。事实证明，在个体发育阶段，不同 的视蛋白基因的表达水平是不同的( s p a d ye ta 1 ，2 0 0 6 ) 。如同r h 2 基因一样， s w s 2 在棘鳍鱼类的早期祖先中也发生了复制，产生了两个亚家族。s w s l 的复制比较少见，一个例子是p l e c o g l o s s u sa l t i v e l i s 中鉴定出了两个s w s l l o 山东农业大学硕- 上学位论文 基因( m i n a m o t oa n ds h i m i z u ，2 0 0 5 ) ，但是其中一种表达水平非常低，原位 杂交无法检测到。l w s 基因的复制在许多棘鳍类硬骨鱼中都存在，这些复 制应当都是独立的，但是可能基因转换使得它们看起来分化得不是太远 ( b o w m a k e r ，2 0 0 8 ) 。肺鱼和腔棘鱼类的进化过程中，油腺结构不可忽视， 这种结构最早在硬骨鱼进化之后出现，在肺鱼中最早出现了彩色的油腺 ( 图1 4 ) 。 一l a m d 嘈y s ；。期三慨乏蒜了 一a f i t h 图l - 4 脊椎动物各类群中油腺结构的分布 f i g l - 4o i ld r o p l e td i s t r i b u t i o ni nv e r t e b r a t e 鸟类中个物种之间都是存在双视锥( d o u b l ec o n e s ) $ h 四种光谱类型的 单视锥细胞，行使四色色觉功能，在一些夜行性的物种中有例：夕b ( h a r ta n d h u n t ，2 0 0 7 ) 。研究表明，鸟类的双视锥可能更多的是行使非色觉的功能， 感受光亮度和物体的运动，而四种光谱类型的单视锥才参与色觉功能 ( o s o r i oa n dv o r o b y e v ，2 0 0 5 ) 。 一般认为灵长类之外的哺乳动物因为丢失了r h 2 和s w s 2 两类视蛋白 基因，都是二色系统的( j a c o b s ，1 9 9 3 ) ，可能与历史上祖先哺乳动物的夜行 榕小蜂紫外线敏感视蛋白基因的进化 性生活方式有关。现存的很多夜行性哺乳动物都只有一个l w s 视蛋白基因 ( p e i e h l ，2 0 0 5 ) 。虽然很多丢失了s w s l 视蛋白基因的物种都是夜行性的， 但是并不是所有夜行性的物种都丢失了这个基因。哺乳动物中，海洋哺乳 动物是一个特殊的群体，它们丢失了s w s l 视锥细胞视觉色素，所以也只 有l w s 一种视觉色素，因此是单色的( m o n o c h r o m a t ) 视觉。但是s w s l 基因 还保留着，发生了很多突变，虽然表达蛋白质但是没有功能。虽然大多数 的哺乳动物都是只有l w s 和s w s l 视蛋白基因，但是他们的光谱敏感峰值 范围还是很广的( y o k o y a m a ，2 0 0 0 ) 。而且有种趋势是如果一个物种的l w s 视觉色素的光谱敏感峰值比较高，它的s w s1 视觉色素的光谱敏感峰值也 比较高，反之亦然。( b o w m a k e r ，2 0 0 8 ) 。虽然祖先哺乳动物很明显是二色 色觉视觉，然而在灵长类动物当中通过l w s 视蛋白基因的修饰重新进化出 了三色系统，在新大陆猿猴( n e ww o r l dm o n k e y ) 中主要是通过基因的多态 性；旧大陆猿猴( o l dw o r l dm o n k e y ) 中主要是通过基因的复制。l w s 基因 的多态性导致等位基因的变化，从而表达出对不同光谱敏感性的视锥视觉 色素，而且由于这个基因是存在于x 染色体上，雄性个体都是二色视觉的 ( b o w m a k e re ta 1 1 9 8 7 ) 。灵长类动物中，l w s 视锥可能有五个光谱位置 ( s p e c t r a ll o c a t i o n ) ，而且调节到这些位置主要靠三个位点的氨基酸替换： 1 6 4 、2 6 1 和2 6 0 ( 按视杆视蛋白基因氨基酸编号1 ，最短波长光波敏感的视 觉色素在这三个位点分别是丙氨酸、苯丙氨酸和丙氨酸，最长波长光波敏 感的视觉色素在这三个位点分别是丝氨酸、酪氨酸和苏氨。每个位点氨基 酸替换单独产生的影响较小，三个位点替换组合起来导致物种光谱位置的 产生( n a t h a n se ta 1 ，19 8 6 ；n e i t ze ta 1 ，19 91 ；c h a ne ta 1 ，19 9 2 ；m e r b sa n d n a t h a n s ，1 9 9 3 ；a s e n j oe ta 1 ，1 9 9 4 ；y o k o y a m a ，2 0 0 0 ) 。 2 3 2 昆虫的视蛋白基因的进化 昆虫是多样性最丰富的一个类群，它们分布于各种各样的环境中，有 着多样化的生活环境和行为方式，从冰川到沙漠，从热带雨林到洞穴，无 处不在。例如仅仅熊蜂一个属，就在格陵兰到亚马逊流域，从海平线到喜 马拉雅山脉海拔5 8 0 0 m 以下都有发现( w i l l i a m s ，1 9 8 5 ) 。正因为各种昆虫占 有各种各样的生态位，它们的视觉也会产生相应的适应性的进化。有的昆 虫可以识别的光谱范围很窄，例女i a s c a l a p h u sm a c a r o n i u s 的额眼( f - r o n t a l 1 2 山东农业大学硕：仁学位论文 e y e ) q b 只有一种视觉受体，它的光谱敏感范围仅仅在3 0 0 4 8 0 n m ( g o g a l a ， 1 9 6 7 ) ；然而在蝴蝶，蜻蜒及一些膜翅目等昆虫的物种当中，可以有好几 种光谱类型的视觉受体，视觉光谱敏感范围可以达到 3 0 0 7 0 0 n m ( m e i n e r t z h a g e ne ta 1 ，1 9 8 3 ；h o r r i d g ee ta 1 ，1 9 8 4 ；p a u le ta 1 ，1 9 8 6 ； a r i k a w ae ta 1 ，19 8 7 ；y a n ga n do s o r i o ，19 91 ；p e i t s c he ta 1 ，19 9 2 ；b r i s c