半翅目昆虫的基因组大小

1、半翅目昆虫的基因组大小 宋凡，王建赟，李虎，彩万志作者简介：宋凡（1988-），男，硕士研究生，昆虫分子系统学通信联系人：彩万志（1963-）,男，教授，主要研究方向为中国、东亚等地猎蝽科昆虫的分类学. E-mail: caiwz 1.51.51.51.51.51.51.51.5Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193;Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193;Department of En

2、tomology, China Agricultural University, Beijing 100193;Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193中国农业大学昆虫学系，北京 100193;中国农业大学昆虫学系，北京 100193;中国农业大学昆虫学系，北京 100193;中国农业大学昆虫学系，北京 100193100193;10019315201306860;13521016260010-62734842京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学西校区植保楼322室

3、;北京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学西校区植保楼320songfan1988333;wjy-1989;tigerleecau;caiwz 宋凡（1988-），男，硕士研究生，昆虫分子系统学;彩万志（1963-）,男，教授，主要研究方向为中国、东亚等地猎蝽科昆虫的分类学宋凡;王建赟;李虎;彩万志SONG Fan;WANG Jianyun;LI Hu;CAI Wanzhi彩万志1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*专著*|*McGavin G.C.(Eds) Dorling Kindersley HandbooksInsectsM. London

4、: Dorling Kindersley Limited, 20002*|*专著*|*Gullan P.J., Cranston P.S. The Insects: An Outline of Entomology (Third Edition)M. Oxford: Blackwell Publishing Ltd., 20043*|*期刊*|*高静，黄晓红，曾华嵩，等. 中国6种经济鱼类的基因组大小测定J. 中国水产科学，2010，17(4): 689-694.4*|*期刊*|*Koshikawa S, Miyazaki S, Cornette R et al. Genome size of

5、 termites (Insecta, Dictyoptera, Isoptera) and wood roaches (Insecta, Dictyoptera, Cryptocercidae)J. Naturwissen schaften 2008, 95(9): 859-867.5*|*专著*|*Cavalier-Smith T. The evolution of genome sizeM. UK: Wiley, Chichester, 19856*|*期刊*|*Gregory T.R., Hebert PDN. The modulation of DNA content: proxim

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7、 Annual Review of Genetics 1971, 5: 237-256.9*|*在线文献*|*Gregory T.R. Animal genome size databaseOL. 2011.10*|*期刊*|*Petrov DA. Evolution of genome size: New approaches to an old problemJ. Trends of Genetics 2001, 17(1): 23-28.11*|*期刊*|*Bosco G, Campbell P, Leiva-Neto J.T., Markow T.A. Analysis of Dros

8、ophila species genome size and satellite DNA content reveals significant differences among strains as well as between speciesJ. Genetics 2007, 177(3):1277-1290.12*|*期刊*|*Biemont C. Genome size evolution: Within-species variation in genome sizeJ. Heredity 2008, 101(4): 297-298.13*|*期刊*|*薛建，程家安，张传溪. 昆

9、虫基因组及其大小J. 昆虫学报，2009，52(8): 901-906. 14*|*期刊*|*Gregory T.R., Nedved O., Adamowicz S.J. C-value estimates for 31 species of ladybird beetles (Coleoptera: Coccinellidae)J. Hereditas 2003, 139 (2): 121-127.15*|*期刊*|*Hardie D.C., Gregory T.R., Hebert P.D. From pixels to picograms: a beginners guide to g

10、enome quantification by Feulgen image analysis densitometryJ. Journal of the Histochemistry Society 2002, 50(6): 735-749.16*|*期刊*|*Hanrahan S.J., Johnston J.S. New genome size estimates of 134 species of arthropodsJ. Chromosome 2011, 19: 809-823.17*|*期刊*|*Thindwa H.P., G.L. Teetes, J.S. Johnston. Gr

11、eenbug DNA contentJ. Southwestern Entomologist 1994, 19: 371-378.18*|*期刊*|* Ma R.Z., W.C. Black, J.C. Reese . Genome size and organization in an aphid (Schizaphis graminum) J. Journal of Insect Physiology 1992, 38: 161-165.19*|*期刊*|* Finston T.L., P.D. Hebert, R.B. Foottit. Genome size variation in

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14、 smallest cellular genomeJ. Bulletin of Entomological Research 2010, 100: 27-33.23*|*期刊*|*Francisco P., Ferrandis, Ramsey J. et al. Genome size determination in chagas disease transmitting bugs (Hemiptera: Triatomina) by flow cytometryJ. The American Journal of Tropical Medicine and Hygiene 2007, 76

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16、a-Garcia A.M., Umphrey G.J. and Gregory T.R. An expansion of the gnome size dataset for the insect order Hymenoptera, with a first test of parasitism and eusociality as possible constraintsJ. Insect Molecular Biology 2010, 19(3), 337-346.|1|宋凡|SONG Fan|中国农业大学昆虫学系，北京 100193|Department of Entomology,

17、China Agricultural University, Beijing 100193|宋凡（1988-），男，硕士研究生，昆虫分子系统学|北京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学西校区植保楼322室|100193|songfan198833315201306860|2|王建赟|WANG Jianyun|中国农业大学昆虫学系，北京 100193|Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193|wjy-1989|3|李虎|LI Hu|中国农业大学昆虫学系，北京 10019

18、3|Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193|tigerleecau|*|4|彩万志|CAI Wanzhi|中国农业大学昆虫学系，北京 100193|Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193|彩万志（1963-）,男，教授，主要研究方向为中国、东亚等地猎蝽科昆虫的分类学|北京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学西校区植保楼320|100193|caiwz 135210

19、16260半翅目昆虫的基因组大小|Genome Size in Hemipterans|（中国农业大学昆虫学系，北京 100193）摘要：基因组大小可以用多种方法较为准确地估计出来，目前约有830种昆虫的基因组大小得到测定，大多测自全变态昆虫。已知昆虫的基因组大小在0.11-16.93 pg 之间，最小的与最大的之间有154倍的差异。不完全变态的半翅目昆虫的基因组大小目前只测得52种，其基因组大小在0.18-7.16 pg之间。本文简要介绍了半翅目昆虫的基因组大小，并初步探讨了基因组大小在半翅目昆虫分类研究中的应用。关键词：半翅目；基因组大小；进化中图分类号：Q969.35Genome Siz

20、e in HemipteransSONG Fan, WANG Jianyun, LI Hu, CAI Wanzhi(Department of Entomology, China Agricultural University, Beijing 100193)Abstract: Genome size can be estimated by many methods, such as flow cytometry, feulgen image analysis densitometry and so on. In the Insecta, there are about 830 species

21、 genome size have been estimated, mostly from holometabolous insects. Reported C values of insects range from 0.11 pg to 16.93 pg, the maximum one is 154-fold of the minimum. In the order Hemiptera, only 52 species genome size have been reported and the size ranges from 0.18 pg to 7.16 pg. In this p

22、aper, the genome size and its uses in the taxonomic researches on Hemiptera are briefly introduced. Key words: Hemiptera; genome size; evolution0 引言半翅目Hemiptera昆虫全世界有134个科，约82000种1；形态多样，分布广泛。半翅目昆虫与人类的生活息息相关，其中有蚜虫、粉虱、盲蝽、臭虫等重要的农林卫生害虫，也有猎蝽、姬蝽等捕食性益虫，是生态系统重要组成部分。半翅目曾经被分为2大类群，即异翅类Heteroptera （蝽）和同翅类Homopt

23、era（蝉、叶蝉、蜡蝉、沫蝉、蚜、木虱、蚧和粉虱）。半翅目各分支地位一直存在很大争议2，不仅是亚目之间的关系，科之间、属之间的关系也存在分歧；不同地理分布的同种昆虫存在形态上的差异，而亲缘关系较近的昆虫在形态上非常相似，利用传统的形态学分类很难进行快速而准确的鉴定，因此，以分子生物技术为基础的基因组研究越来越多的应用到半翅目昆虫进化研究当中。近些年来DNA序列被广泛用于生物的系统发育关系和进化规律的研究中。昆虫基因组的研究蓬勃发展。基因组研究对了解生物的遗传、进化、系统发育等各方面信息有着重要的作用。根据NCBI的数据，已经有88种昆虫被列入生物基因组计划，其中20种左右昆虫的基因组计划已经完

24、成，其他昆虫的基因组正在拼接或测序。但是全基因组的测序需要大量的工作，而基因组大小可以利用多种方法较为准确的估计出来。基因组大小（或称C值）指的是生物单倍体细胞中全套染色体的DNA总量3；作为遗传物质基础且含量稳定的DNA总量可以为种质鉴定提供依据，在系统分类和进化中有一定的参考价值。基因组大小的进化可以与生物多种多样的生物学特性的进化联系起来4，这是因为基因组不仅包含了基因信息，它也影响细胞大小、发育速率、发育复杂性等多种生物学特性5，6。但是基因组大小与这些生物学特性的关系还存在很多争议，如著名的C值悖论（C-value paradox），即C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象7，8，

25、有些复杂的生物核内DNA总量反而比结构简单的生物低，例如某些两栖动物的基因组就比人类的基因组要大。目前根据动物基因组大小数据库（Animal Genome Size Database）的数据，已经有约830种昆虫的基因组大小得到测定9。在已经测得的昆虫种类中，基因组大小有154倍的差异。一般认为基因组大小的差异并非是由于基因数量的不同而造成的，而是基因组内重复序列的扩增10、缺失和分化所导致的 11，12。昆虫基因组大小的变化具有怎样的意义，外界选择压力是怎样影响基因组大小，基因组大小又对昆虫产生了怎样的影响，基因组大小能否反映出昆虫的进化关系，这些都是值得探讨的问题。因此基因组大小需要更多更

26、深入的研究。本文将就基因组大小在半翅目昆虫进化方面的研究作简要的介绍。1 基因组大小的测定方法估计昆虫基因组大小的方法主要有流式细胞仪测定法、feulgen图像分析光密度测定法、feulgen光密度测定法、静态细胞荧光测定法、紫外线显微镜法等13。较早的研究大多采用feulgen光密度测定法，而目前应用最广泛的是流式细胞仪测定法和feulgen图像分析光密度测定法。流式细胞仪测定法（flow cytometry, FCM）是通过提取昆虫细胞中的细胞核，并用染料将细胞核中的DNA 染色后利用流式细胞术与标准样（standard species）进行细胞核分析，可测定出细胞核中DNA 的含量以及异

27、染色质的含量等信息14。利用这种方法测定昆虫基因组的结果较为精确，目前应用的也最多。Feulgen图像分析光密度法（feulgen image analysis densitometry, FIA）是通过feulgen反应最终使细胞核显紫红色15，然后通过多媒体图文分析系统，对积分光密度、平均灰度、异性指数等DNA参数进行选定，用统计软件进行分析从而得到细胞核DNA的含量的方法。在某些种类中相同的样品因为测定方法的不同，得出的C值也存在一定差异16。半翅目昆虫基因组大小大多采用流式细胞仪测定法和feulgen光密度测定法测定，而同种半翅目昆虫用不同测定方法所得到的基因组大小存在差异，例如麦二叉

28、蚜Schizaphis graminum 用三种方法测得的结果均不相同1719，所以在分析结果时应该注意测定方法的差异。2 半翅目昆虫基因组大小及其在分类与进化研究中的应用基因组大小可以作为生物的一个特定参数，与细胞的大小、寿命、代谢率等也有一定的相关性。昆虫的基因组大小呈现出显著的变化，目前已知最大的是一种山蝗Podisma pedestris，达到16.93 pg；最小的是体虱Pediculus humanus humanus仅有0.11 pg20，两者相差154倍。绝大多数全变态昆虫，像双翅目、膜翅目、鞘翅目昆虫的基因组大小都在2 pg以内，由此Gregory等在2005年提出了2 pg

29、界限（2 pg limit）的假设，推测全变态昆虫的基因组大小控制在2 pg以内21。但是，已经测得基因组大小的种类只占昆虫种类很小的一部分，并且大多数是双翅目和鞘翅目昆虫。只有更多的昆虫基因组大小被测定才能更好的分析其规律和机制。目前在半翅目中有52个种的基因组大小被测出9，16，22，其中球蚜科Adelgidae 4种、蚜科Aphididae 31种、猎蝽科Reduviidae 8种、蝉科Cicadidae 3种、木虱科Psyllidae 1种、盲蝽科Miridae 1种、负蝽科Belostomatidae 1种、长蝽科Lygaeidae 1种、红蝽科Pyrrhocoridae 1种、蝽科

30、Pentatomidae 1种（表1）。在半翅目中基因组大小的变化同样很大，从蚜科Eoessigia longicauda的0.18 pg到蝉科Tibicen lyricen的7.16 pg，与全变态昆虫的基因组大小有一定的重叠。其中，球蚜科和蚜科的基因组大小相对较小，都在1 pg以内。Johnston等23认为寄生性昆虫通常拥有较小的基因组大小，蚜虫类昆虫的基因组大小同样显示了这个规律。表1半翅目昆虫基因组大小Tab. 1 Genome size in the order Hemiptera科种C值染色体数目方法AdelgidaeAdelges cooleyii0.38 22FD球蚜科Ade

31、lges sp.0.39 FDPineus similis0.37 22FDPineus sp.0.37 FDAphididaeAcyrthosiphon pisum0.31 8FD蚜科Amphorophora agathonica0.39 FDAphis craccivora0.42 FCMAphis fabae0.61 8FDAphis nerii0.51 8FDAphis pomi0.49 8FDAphis sp.0.67 FDChaitophorus populicola0.48 FDChaitophorus sp.0.60 FDCinara strobi0.71 FDEoessigi

32、a longicauda0.18 FDEriosoma americanum0.33 FDGypsoaphis oestlundi0.89 FDIllinoia sp.0.29 FDMacrosiphonella sp.0.62 FDMacrosiphum californicum0.51 FDMacrosiphum euphorbiae0.40 FDMacrosiphum pseudocoryli0.66 FDMacrosiphum rosae0.52 FDMogoura viciae0.48 FCMMyzus nicotinae0.33 FDMyzus persicae0.32 FDNas

33、onovia lactucae0.70 FDPemphigus sp.0.42 FDPterocallis alnifoliae0.56 FDRhopalosiphon cerasifoliae0.60 8FDRhopalosiphon padi0.65 8FDRhopalosiphon sp.0.73 FDSchizaphis graminum0.40 BCASchizaphis graminum0.53 FCMSchizaphis graminum0.56 8FDTamalia coweni0.63 6FDUroleucon sp.0.68 FDUroleucon sp.0.74 FDPs

34、yllidaePachypsylla venusta0.74FCM木虱科Pachypsylla venusta0.73FIACicadidae蝉科Neocicada hieroglyphica (female)5.85 FCMNeocicada hieroglyphica (male)5.45 FCMTibicen lyricen (female)7.16 FCMTibicen lyricen (male)6.85 FCMTibicen resh (female)5.88 FCMTibicen resh (male)5.36 FCMMiridae盲蝽科Pseudatomoscelis seri

35、atus (female)0.61 FCMPseudatomoscelis seriatus (male)0.57 FCMPentatomidae蝽科Brochymena cariosa1.26 FCMBelostomatidae负蝽科Belostoma dentatum1.93 NSLygaeidae长蝽科Oncopeltus fasciatus4.65-6.15BCAPyrrhocoridae红蝽科Pyrrhocoris apterus1.22 FDReduviidae猎蝽科Rhodnius prolixus0.26 NSRhodnius prolixus0.59 FIATriatoma

36、delpontei2.90 44FCMTriatoma dimidiata(cytotype 1)1.07 23-24FCMTriatoma dimidiata(cytotype 2)0.92 23-24FCMTriatoma dimidiata(cytotype 3)0.98 23-24FCMTriatoma infestans1.70 44FCMTriatoma infestans(Andean population)1.98 44FCMTriatoma infestans(dark morph)1.44 44FCMTriatoma infestans(non-Andean populat

37、ion)1.50 44FCMTriatoma melanosoma1.53 44FCMTriatoma platensis1.33 44FCMTriatoma rubrovaria1.17 44FCMTriatoma sordida1.12 44FCM注： FD为feulgen光密度测定法，FCM为流式细胞仪测定法，FIA为 feulgen图像分析光密度法，BCA为生物化学法，NS为没有特别说明方法。Hanrahan和Johnston16测定了134种节肢动物的基因组大小，其中新测131种，绝大部分为昆虫。研究结果显示绝大部分全变态昆虫的基因组大小在2 pg以内，验证了2 pg界限的说法，不过

38、在鞘翅目和长翅目中的昆虫有个别的例外。直翅目昆虫基因组依然是最大的。半翅目昆虫基因组大小变化较大，与之前的研究相比，新测定的6种蝉科昆虫基因组大小（5238 Mb-7000 Mb）没有在一般半翅目的范围之内，反而接近直翅目昆虫的基因组大小。同时，他们的研究还表明，利用冷藏标本与新鲜标本测得的C值没有显著差异。Panzera等24利用流式细胞仪测定法测定了5个属13个种锥猎蝽亚科昆虫的基因组大小。最小的基因组是普热猎蝽Rhodnius prolixus的0.7 pg，最大为德氏锥猎蝽Triatoma delpontei的2.7 pg，相差接近4倍。由于锥猎蝽拥有相同的染色体数目，所以他们认为造成

39、基因组大小变化的主要原因是常染色质和异染色质中重复DNA片段数量的不同。在相近的种类之间异染色质的变化尤其重要。Nakabachi等22用流式细胞仪测定法和Feulgen图像分析光密度法测定了一种木虱的基因组大小，同时发现这种木虱是16倍体。他们认为木虱的高倍体特性可能能促进它与体内的类菌体之间的共生关系。而木虱中的一些基因同样在类菌体中有较多的表达，并且这些基因有可能源于类菌体而又转移到木虱的基因组上。木虱与其类菌体的协同进化还有待进一步研究。3 讨论基因组大小的研究还有许多难题未解决，像C值悖论7，在昆虫中，更为进化的全变态昆虫反而拥有较小的基因组大小，并且大多在2 pg以内。较早之前的研

40、究认为昆虫的大小和其基因组大小之间存在联系，而Tsutsui等25通过对40种蚂蚁基因组大小的分析表明，两者之间并不存在显著的联系。寄生性昆虫和真社会性的昆虫虽然大多拥有较小的基因组大小，但并没有令人信服的证据表明寄生性和真社会性与基因组大小的进化有确切的联系26。半翅目昆虫的进化关系历来有很多争议，而就目前得到的数据来看，半翅目昆虫的基因组大小在科与科之间变化很大，并不能总结出一定的规律。值得指出的是，半翅目昆虫仅已知种就有82000种，而目前测得基因组大小的只有52种，只有更多半翅目昆虫的基因组大小得到测定才能总结出更有价值的信息，进而利用基因组大小研究半翅目昆虫的进化。相信随着越来越多昆

41、虫基因组大小的测定，基因组大小也会成为分类与进化研究中一个重要的参数。致谢本研究得到博士点基金(No. 200800190015) 、国家自然科学基金(Nos. 30825006, 30970394, 31061160186)的支持。 参考文献 (References)1 McGavin G.C.(Eds) Dorling Kindersley Handbooks-InsectsM. London: Dorling Kindersley Limited, 20002 Gullan P.J., Cranston P.S. The Insects: An Outline of Entomology

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45、 to an old problemJ. Trends of Genetics 2001, 17(1): 23-28.11 Bosco G, Campbell P, Leiva-Neto J.T., Markow T.A. Analysis of Drosophila species genome size and satellite DNA content reveals significant differences among strains as well as between speciesJ. Genetics 2007, 177(3):1277-1290.12 Biemont C

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