细胞学特征在昆虫系统研究中的应用模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。细胞学特征在昆虫系统研究中的应用《农业昆虫与害虫防治》专业级硕士研究生:周奋启摘要:细胞学特征是昆虫的分类特征之一。本文在细胞分类学在不同水平上的研究概况作一综述,包括核型分析、染色体带型分析及染色体组分析等在昆虫系统研究中的应用,同时指出,依靠单一的方法和技术是不够的,须要结合多方面的研究结果和信息进行综合分析,才能揭示物种间的亲缘关系,建立一个更接近于自然演化途径的系统模式。关键词:细胞学特征,染色体,昆虫分类,应用前景1.细胞学特征概述细胞分类学(cytotaxonomy)是利用细胞学特征进行生物分类的学科。又称细胞系统发育(cytophylogeny)或核系统学(karyosystematics),实质上仅基于染色体的数目、结构与行为的分析,因此有些学者干脆称其为染色体系统发育(chromosomephylogeny)或染色体分类(Chromosomaltaxonomy)。细胞分类能够解决常规形态分类难以解决的问题,它融合了生物分类学、细胞学、遗传学等学科的理论,是现代综合分类的有效手段。早在19McClung就讨论了细胞学与分类学的关系[52],但细胞分类学的诞生则是20世纪30年代以后之事。当前,在许多生物类群中,染色体数据已同形态特征一样成为标准分类的基本数据[2]。从国内外学者对动、植物所进行的细胞分类研究成果来看,细胞分类的意义在于经过获识有机群体的细胞结构,特别是染色体组成、形态、数目、行为、变异特性等微观性状,结合宏观表征以揭示物类归隶、种内分化、种上阶元各类群间关系以及系统演进趋向。昆虫纲是动物界的一大分支,种类繁多,其染色体的研究早在19世纪80年代就已有报道;而中国的昆虫染色体研究相比之下起步较晚,在20世纪30、60年代仅有一些零星的研究报道[3]。直到20世纪70年代末、80年代初,中国的昆虫细胞分类研究才逐渐发展起来。据统计,20世纪末中国已做过染色体研究的昆虫有10目69科543种(亚种),仅直翅目昆虫就涉及10科227种[3],以蝗亚目居多,螽斯亚目次之,其中蝗总科各科均有研究。细胞分类学是从形态分类向更深层次的延伸,是综合分类学的一个重要方面。它亦触及到现代分类学研究的热点问题一系统进化生物学问题。细胞分类学是伴随细胞遗传学的发展而产生的。1932年,植物细胞遗传学家达林顿(C.D.Darlington)的《细胞学进展》(RecentAdvnaceinCytology)一书问世,标志着细胞遗传学这一分支学科已走向成熟。195月.年,英国剑桥大学出版社出版了动物细胞遗传学家怀特(M.J.H.white)的名著《动物细胞学与进化》(AnimalCytologyandEvolutoin)。该书被公认为是怀特对细胞遗传学和进化生物学领域最伟大贡献。《动物细胞学与进化》一书的出版,不但激励了众多细胞学工作者和遗传学工作者在动物学领域特别是对昆虫进行更为广泛而深入的细胞遗传学研究,而且使分类学者有可能从更加细微的角度、更加客观地比较分类单元之间的异同,进而追溯物种起源问题。当前,用于昆虫分类的细胞学特征主要是染色体的数目、结构及行为,只有选用细胞分裂旺盛的组织为研究材料,才容易找到合适的分裂相。一般昆虫细胞分类所选用的材料主要是精巢或卵巢、唾腺、马氏管、脑神经节等组织或胚胎、幼期整体等;其中除部分双翅目染色体研究用唾腺组织及某些不完全变态的昆虫有时采用幼期整体压片外,绝大多数昆虫的染色体研究以精巢为材料[1]。直翅目昆虫染色体的研究多以成虫的精巢为材料,这主要是由于雄性昆虫的精细胞数量比雌性昆虫卵细胞要多,且分裂相的比例较高。国外见有以胚胎作为研究材料的报道[56]。2.细胞学特征的理论依据及意义细胞分类学(Cytotaxonomy)也叫染色体分类学,它将细胞学知识应用到分类学中,大大推动了经典分类学的发展,并为更深层次地研究分类提供了新的手段。从本质上讲细胞分类学就是利用染色体资料探讨分类学问题,是一门细胞学、遗传学、分类学相结合的边缘学科。2.1染色体的作用染色体在生物界的普遍存在,这一事实意味着染色体在生物进化的早期阶段就己形成,并由于适应而保存下来。生物的进化过程由简单到复杂,随着这一进化过程就需要增加结构基因和调节基因的数量以满足生物对信息的需要量。以进化较低阶段的类群所含最少的染色体数目作为基数就会发现,随着生物的进化,其DNA含量有倍增的趋势。自从19SuttBoveri提出”遗传的染色体假说”以来,随着细胞遗传学和分子遗传学的飞速发展,已经提供了无数的证据证明遗传物质—DNA位于染色体上,染色体是遗传物质的载体,这已不再是一种假说,而是的的确确存在的事实。首先,染色体是贮存、复制和传递遗传物质的载体。有丝分裂的结果,使得复制过的染色体连同复制过的基因准确无误地传递给两个子细胞,从而每个体细胞都准确地得到两套染色体。减数分裂后形成的配子得到一整套染色体,受精后,染色体恢复为二倍状态,这样保证后代得到双亲的遗传物质。染色体的这种奇特而有规律的行为,保证了遗传物质的代代相传。其次,染色体对基因活动的调节。在动物和高等植物中,染色体控制基因活动,使基因的原初产物在适当的时间释放,释放适当的量,使个体发育的生物化学和细胞活动的进程沿着特定的顺序有条不紊地进行。当然基因活动的调节是非常复杂的,涉及到许多染色体外的因子。可是染色体是DNA的主要载体,必定是复制和转录的场所,因而能够预料,转录过程中的基因活动主要或完全地受染色体调节。再次,染色体调节有性后代的基因重组频率。位于不同染色体上的基因在形成配子过程中按照独立分配的原理分离,然而位于同一染色体的基因却是遗传上连锁的,即它们彼此不分离地在染色体上呈线性排列。这样,在后代中,亲本中原先存在的基因组合要比新的基因组合频率高些。因此,连锁是遗传的一种保守力量。链锁的强弱决定于两个因素:一是两个基因位点在染色体上的距离;二是两个基因位点之间区段的交换(erossingover)频率。交换是连锁的否定,提供了新的基因组合。因此,有性后代中可能有的遗传重组的数量取决于:(l)染色体数目和与此相连的连锁群数目;(2)各种调节交换频率的因子(包括某些特定基因)的存在与否;(3)交换频率。连锁与交换的重要性不只影响遗传重组的程度,某些基因群当它们相互配合时,能够产生一些特别适应的性状组合,而且,连锁还是一种把这些基因保持在一起的机制。最后,染色体控制生物的能育性。第一种情况是如果一个个体带有倒位(inversion)或易位(transloeation)引起的杂合性,即两条同源染色体(homologouschromosome)中仅一条带有倒位或易位区段,那么这个个体即使基因组成完全与纯合体的个体一样,其减数分裂也往往是异常的,结果有一半配子是不活的,其能育性自然就大大降低了。第二种情况是如果一个种的一对具中部或具近中部着丝粒染色体,由于着丝粒同时横裂变成两对具端部着丝粒的染色体,这样,变异体多出一对染色体。具原始细胞型(cytotyPe)的个体和新细胞型的个体是杂交不育的,至少育性降低,这就为物种的分化提供了前提。染色体控制能育性的第三种情况在植物中是常见的,一个种内如果出现四倍体,那么这些四倍体和二倍体在生殖上往往是隔离的,即使它们之间在基因组成上完全相同或差异甚微。鉴于以上染色体这些与生物本身息息相关的功能,可见生物的遗传、变异和进化是与染色体的稳定性和变异性分不开的,染色体在一定程度上反映生物的本质。由于生物的性状是受它们所含遗传物质的控制,作为遗传物质主要载体的染色体,对于生物性状的表示,就有着直接的关系。当其结构或数量发生改变时,必然会影响到生物的性状变异。研究表明,染色体的进化速度与物种形成速度之间存在着很强的正相关。凡是同一个种的个体都具有相同的染色体数目和结构,而不同种的个体则是不同的。这是物种分化和遗传隔离的结果。因此按照染色体形态结构来进行分类和物种鉴别是有充分科学根据的,而且解决了很多疑难问题。在这方面实例很多。需要指出的是在不同分类阶元及不同物种之间染色体进化速率是不同的,在这方面没有统一的模式可循。因此,在探讨某一类群和亲缘关系时应具体对待,这才是科学的态度。2.2染色体在分类学上的意义现代的分类学是广义的,它包括分类处理以及对系统发育和进化的探讨。分类学中普遍应用的是生物的形态特征,结合生理差异、生态差异来划归物类的,这些特征和差异均是基因原初产物和次生产物一连串相互作用的最终产物,而染色体上的差异却或多或少直接反映了基因内容和调节机制上的差异。从这些方面出发,染色体在分类上就显示出了它的特殊意义。首先,染色体可作为鉴别和区分类群的特征,提示类群之间的亲缘关系,进一步审查、改进原来的分类系统。其次,染色体在揭示物种的形成机制和类群的进化方向方面作用重大。另外,染色体和地理分布相结合,可用来推断某一类群的起源中心,昔日分布和迁移路线,揭示动物区系的特点和成因以及动物类群的分布规律等。3染色体在昆虫系统研究中的应用现有的研究结果已对染色体的工作提出了如下几个不同级别的研究进程:α,β,γ,ε,ξ级。α级核型最为基础,只限于染色体数目和大小的报道;β级是在α级的基础上研究着丝粒的位置、染色体臂的形态;γ级是在β级的基础上做染色体的分区工作;ε,ξ级则是在γ级的基础上做更加精细的研究工作[45]。当前昆虫染色体的研究多见于β级和γ级。一般某一具体的染色体数据可与科、属、种、亚种等不同阶元级的特征相关,并随具体类群而异[4]。也就是说,在不同的类群中,染色体所反映的分类阶元差别的作用也不相同,有些在属级以上的阶元间才有差异,有些具有种间差别,另一些则可明显地表现出亚种或地理宗之间的差别。但无论处于何种阶元水平,染色体在昆虫分类的2个不同的水平上特别有用:一是近缘种的比较,二是系谱关系的建立。本文把直翅目昆虫染色体研究在分类上的应用归结为以下几点。3．1核型分析在昆虫系统研究中的应用核型(karyotype)有时亦称为染色体组型,指的是个体或一群有亲缘关系的个体所特有的染色体组(chromosomecomplement),是物种染色体数目、形态、结构等方面特征的总称。其研究和比较分析是细胞分类学工作的主要内容之一。一般将染色体数目的多少作为科级水平染色体进化的一项重要指标。核型分析在直翅目昆虫中,蝗总科共研究了8个科[5-35]。癞蝗科、锥头蝗科、瘤锥蝗科的雄虫的染色体以2n=19为主;斑腿蝗科和斑翅蝗科的以2n=23为主;网翅蝗科和槌角蝗科的以2n=17为主;剑角蝗科的以2n=23,21,19三类为主。该总科内的核型除锥头蝗科与瘤锥蝗科较为一致外,其它各科差异较大[2]。螽斯科中最普遍的为2n=31,29,27,25,23,而该科中的露螽亚科核型变化最大。蚱总科2n=13,其核型变异不大[2,36]。蟋蟀总科的染色体数目范围在2n=7-29,其最大的一个科蟋蟀科染色体变化范围在2n=11-29[37-39]。这几大总科的性别决定多为XO型。蝼蛄亚目当前已知的种类不多,国内未见有染色体方面的研究资料。据统计,国外关于蝼蛄总科染色体研究的种类有27种之多,其雄虫的染色体数目多为2n=12-23,性别决定有XO,XY2种;蚤蝼总科仅见12种,其雄虫的染色体数2n=11,13,15,雌虫2n=14,性别决定多为XO[40]。在染色体核型数据的处理上,主要采用生物统计学的原理与方法。在核型分析上,主要是选取配子染色体数,染色体长度比,各染色体相对长度、平均数、方差、极差,各染色体着丝粒指数、总和、平均数及标准差等数据,计算种群之间核型似近系数,进行聚类分析,展示物种或种群间的亲缘关系。其内容就是确定染色体数和分析染色体的各项形态及行为的参数。(l)、染色体数目在同一物种中染色体的数目一般是稳定的。在某些属,甚至某些科往往还具有同一的基数。例如:癫蝗科昆虫的调查表明:该科具原始核型模式,其它数目类型的种类均由此衍生而出。应该注意的是,染色体计数不应仅仅根据一个或少数几个细胞。在动物中,以5一10个个体的30个以上细胞的染色体数目为宜。(2)、染色体形态分析染色体形态时,一般利用体细胞分裂中期的染色体,因为此时染色体己充分缩短而稳定。而早中期或晚期的染色体正处于收缩过程中,各部分收缩程度不一致误差较大。分析染色体形态常见如下指标:①染色体绝对长度(或实际长度)(actuallength,AL):均以微米表示。一般在放大照片或描图上测量,按下列公式换算:放大的染色体长度/放大倍数x100绝对长度不是一个可靠的,可比较的数值,因为预处理条件不同,染色体缩短程度不同。细胞分类学中,多用相对长度。②相对长度(relativelength,RL):均以百分比表示。相对长度的计算方法,主要采用Levan等人(1964年)的公式:相对长度为染色体长度/染色体组分部长度x100。③染色体长度比:指核型中最长染色体与最短染色体的比值。这一数值至今应用尚不普遍,但却很有价值。④臂比(r):指同一条染色体长臂(q)与短臂(P)的比值。臂比是划分染色体类型的重要指标。⑤着丝点指数(centromereindex,CD):指短臂占该条染色体全长的百分比,它决定着丝粒的相对位置。⑥臂指数或NF值(numberfundamental):表示一个细胞染色体组型中所有染色体臂数的总和。一般将着丝粒位于染色体端部或亚端部的一条染色体臂数记作l,把着丝粒位于染色体中部或亚中部的一条染色臂数记作2。⑦染色体编号:一般按染色体长度编号,如有两对染色体长度相等,则按短臂长度排列,长者在前,短者在后。性染色体排在最后。⑧染色体组式:指人为将染色体按相对长度,依大型(large,L)、中型(middle,m、小型(small,s)及性染色体顺序记数并列成简式,以明了染色体的构成成分。如3L+3M+25十X,表示该物种具3对大型,3对中型,2对小型常染色体和1条性染色体。一般大型染色体是指相对长度在10.00以上的染色体,中型染色体指相对长度范围在5一10的染色体,而5.00以下的为小型染色体。3·2带型分析在昆虫系统研究中的应用染色体分带(chromosomebanding)是60代后期发展起来的一项细胞学技术,借助于某些物理、化学处理使中期染色体显现出深浅不同的带纹,各物种的每一条染色体其带纹的数目、位置、宽度及深浅度都有相正确恒定性。当前已有的染色分带技术有:A-带、C-带、D-带、G-带、Q-带、N-带、R-带、银染以及一些经过处理的混合染色技术。带型研究提供的信息不断丰富原有的分析资料,使得分类学家们能够更加精确地比较分类单元之间的异同,进而研究近缘种之间、种内亚种之间、种内不同种群之间的细胞学特征,并对物种形成、分化等一系列问题进行探讨。当前有关昆虫染色体分带的研究包括对一科内数属及一属内数种的比较,以显示其属、种内分类阶元的异同;对一较高分类阶元内不同种或亚种进行比较分析,以显示其种阶元的差异;有对种群特别是对杂交后代的种群的分析,以确立昆虫的分类地位及亲缘关系。统计国内外有关昆虫染色体分带的资料表明,几乎各种染色分带技术在昆虫中均有研究,但相对研究较多的是C-带、G-带、银染等方面。在中国研究较多的亦是如此,其中直翅目昆虫中蝗总科的大多数种[5-14,16-33,41-46];蚱总科的日本蚱、二刺羊角蚱、蟋蟀总科的聋蟋、蟋螽总科的斑腿沙螽已做过C-带染色并已取得可喜的成果[47-50];斑腿蝗科10个种已做过银染[51],稻蝗属见有R-带、N-带、Ag-带以及A-带的报道。蝼蛄亚目也涉及一些带型研究,但仅见于国外的报道。G-带在中国直翅目昆虫中尚未见有研究报道。关于染色体的带型分析,如C带,除进行位置、总数目、着色程度的分析外,对C带块的相对含量及异染色质在染色体组中的相对含量也进行了统计计算,并运用生物统计学的方法,进行C带条纹相对长度的平均值、标准差分析,进而进行比较分析。在染色体带型模式图的绘制上,在采用手工方法绘制的同时,中国学者也研究开发了利用计算机自动绘制染色体C带带型示意图的软件程序,能同时显示模式图及数据统计表,使绘图的速度加快且准确性大为提高[54]。3·3染色体行为分析在昆虫系统研究中的应用中国学者在运用核型及带型特征进行分析的同时,在各类群亲缘关系及系统演化方面也运用了染色体的行为特征,特别是减数分裂中染色体的行为,如细胞减数分裂的类型(是否为交叉型)、同源染色体的聚集形态、杂交后代细胞分裂时同源染色体的配对情况等[17,31,36]。中国直翅目昆虫染色体行为分析在蝗总科昆虫中研究较多,在其它科中也见有一些零星的报道[8]。另外,不等双价体、染色体轴、Bs等方面在昆虫分类上的应用也有过报道,直翅目蝗总科昆虫中关于染色体轴的报道较多。在中国,昆虫的细胞分类尚处于起步阶段,所研究的种类仅占已知种类的小部分,且主要集中在核型、C-带、银染等方面,除蝗总科外,直翅目其它各总科的研究较少,因此直翅目昆虫细胞分类方面还有大量的工作要做。中国自从李汝琪教授于1930年首次报道直翅目昆虫巨大蝈蝈CallimenusonosPallas的体细胞染色体数以来[55],直翅目昆虫染色体方面的研究已有70多年的历史,可是前几十年的发展是比较缓慢的。近20年来在以郑哲民教授为首的昆虫分类学家们的努力下,直翅目昆虫的细胞分类学研究取得了较大的进步,特别是蝗总科细胞分类学的研究取得了较大的发展。当前,中国直翅目昆虫的细胞分类学研究已经经历了从常规核型分析到染色体分带技术的发展应用,从单一物种研究到系统地比较各分类群间及种群间的差异,从简单物类归隶到复杂亲缘关系及系统演进的揭示等方面的深入发展。中国直翅目昆虫的分类必将经历一个形态表征与细胞乃至分子水平的研究相结合的发展过程,染色体DNA分子分析在不久的将来将会获得蓬勃发展。4.现存在问题及前景与单纯的形态分类相比,染色体数据能够解决常规形态分类难以解决的问题。像小麦[17]、金花茶[29]等分类上造成混乱的原因,是由于分类学家们单纯采用了从形态特征来划分属界的传统方法,这就难以反映其生物学关系及亲缘关系。因此有必要把分类提高到当代生物学的水平来认识,即用细胞学的资料,特别是染色体组分析的方法来研究它们的分类系统和种系发生,这从根本上改变了传统上对它们系统演化的观念,取代单纯以形态特征为依据来划分种、属及它们演化关系的方法。仅仅根据染色体数据的比较研究进行分类同样具有很大的局限性,这是因为染色体进化往往和形态进化之间并不同步。在绝大多数情况下,染色体发生了核型分析可识别的变异,物种的形态结构也发生了能够区分为两个种的变化,这样,核型分析比较结果,就能够作为分类的有力证据。但也有不少种类,染色体虽然发生了可识别的变化,但物种形态结构却没有发生能够明显区别的变化;或只有基因内部DNA分子的突变,在染色体上并无差别,而形态改变明显,在分类上的不同物种,却具有完全相同的核型特征[30]。因此,在细胞分类学上,除了对核型分析方法和显带技术要进一步的改进和发展外,还要结合经典分类学,互相印证,才会有新的突破和发展。而分子生物学方法(如同功酶研究、蛋白质电泳、RuBisco电泳和RAPD、AFLP、RFLP分析等)能够提供基于蛋白质或DNA序列的分子标记性状,信息量大,能够为动、植物亲缘关系的研究提供更为精确的证据。可见,单纯依靠某一方法、技术是不够的,应尽可能利用不同研究手段,吸收尽可能多的研究结果和信息,如结合各个种、属的地理分布、形态学变异模式、细胞学资料以及分子水平的研究结果。经过这些资料的综合分析,才能揭示物种间的亲缘关系,建立一个更为接近于自然演化途径的系统模式。参考文献1彩万志.昆虫分类学报,1994,16(1):4-14.2WileyE.O.Phylogenetics:TheTheoryandPracticeofPhyolgeneticsSystematics.JohnWileyandSons.NewYork.1981.3时敏,陆自强,杜予州.见:李典谟主编,走向21世纪的中国昆虫学,中国昆虫学会学术年会论文集.北京:中国科学技术出版社,.53-58.·125·41(2)昆虫知识ENTOMOLOGICALKNOWLEDGE4JacksonR.C.Ann.Rev.Ecol.Syst.,1971,2:327-368.5严林.昆虫知识.,38(4):286-290.6严林.青海草业,,9(4):4-7.7丹明琳,张贤敏,徐秀霞.青海草业,1999,8(4):5-9.8欧晓红,郑哲民.昆虫学研究(第1辑),1994.216-227.9马恩波,郭亚平.昆虫学报,,44(3):268-275.10马恩波,欧晓红,乔格侠,郑哲民.昆虫分类学报,,21(1):6-10.11霍满鹏,郑哲民.昆虫学研究(第1辑),1994.125-131.12马恩波,郑哲民.昆虫学研究(第1辑),1994.132-135.13马恩波.动物分类学报,1995,20(2):200-203.14牛瑶,郑哲民.昆虫学研究(第1辑),1994.136-141.15牛瑶.河南师范大学生学报.1997,25(1):71-73.16乔格侠,郑哲民.昆虫学研究(第1辑),1994.118-124.17姚世鸿,王景佑,谷晓民,王定平,张培文.昆虫学报,1995,38(3):312-316.18马恩波,郭亚平.昆虫学报.1995,38(1):54-60.19郑哲民,马恩波.昆虫学报,1989.32(3):325-329.20蒲力群,霍满鹏,王文强,郑哲民.陕西师大学学报(自然科学版),1997,25(增刊):53-56.21霍满鹏,王文强,蒲力群,郑哲民.陕西师范大学学报(自然科学版),1997,25(增刊):48-52.22贾潇凌,马恩波.山西大学学报(自然科学版),1998,21(3):291-296.23姚世鸿,王景佑,程光中,周江,王定平,张培文.遗传,1994,16(5):10-13.24龚玉新,郑哲民.动物科学.陕西师范大学出版社,.166-169.25周江,姚世鸿,王景佑.贵州师范大学学报(自然科学版),1997,15(2):33-36.26姚世鸿,王景佑,周江.贵州师范大学学报(自然科学学报),1997,15(1):36-38.27姚世鸿.贵州师范大学学报(自然科学版),1996,14(4):1-5.28郑哲民,马恩波.陕西师范大学学报(自然科学版),1994,22(1):49-52.29谷晓明,姚世鸿.贵州师范大学学报(自然科学版),1995,13(4):10-14.30郑哲民,霍满鹏.陕西师范大学学报(自然科学版),1995,23(3):59-64.31姚世鸿,王景佑.贵州师范大学学报(自然科学版),1995,13(1):34-38.32晓南,刘芳政.八一农学院报,1994,17(3):6-13.33马恩波,郭