冰期气候变化对稻蝗属物种谱系地理学和遗传分化的影响

Oxya species are widely distributed and most important agricultural pests which mainly damaging rice. Series researches focus on morphology, cytology, phylogeny, genetic diversity and population genetic structure of Oxya genus were conducted by our group during the past ten years. In this study, the impacts of glacial climate change shaped the phylogeographical pattern and population genetic differentiation will be discussed in this project. Based on molecular biology, phylogeography and bioinformatics methods, two mitochondrial DNA sequences COI, Cytb, SSR，AFLP technology and kinds of bioinformatics software will be applied to analyze the genetic diversity, genetic structure, gene flow and population expansion history of Oxya japonica and Oxya agavisa. These results will be discussed combined with information of biogeography to illustrate the phylogeographical pattern, genetic differentiation and ecological adaption influenced by ice age climate changes from temporal and spatial aspect. The aim of study is to understand the impact of the Oxya species distribution pattern and population migration influenced by glacial climate change, and to illustrate the role of altitude and environment played in species migration. These results may be useful for understanding Oxya species distribution pattern and agriculture control.

稻蝗属物种主要以水稻为食，分布广泛，是重要的农业害虫。本项目在多年来对稻蝗属形态、细胞及分子水平系统进化研究的基础上，深入探讨冰期气候变化对稻蝗属物种谱系地理格局和种群遗传分化的影响。本项目立论于分子系统学、谱系地理学、生物信息学等多学科的交叉点上，拟以日本稻蝗和山稻蝗为研究对象，采用线粒体DNA基因中COI与Cytb基因序列测定分析以及SSR和AFLP分子标记，所得数据采用最新的种群遗传学分析方法进行检验，并综合已有的形态分类学、细胞分类学及分子系统学研究成果，对日本稻蝗和山稻蝗分子遗传多样性、种群遗传结构、种群间基因交流、种群扩张历史进行研究，结合生物地理学信息，从时、空两方面深入探讨冰期气候对稻蝗属物种谱系地理格局和种群遗传分化的影响。通过本项目可深入了解冰期气候对稻蝗属物种分布规律的作用，以及不同海拔和生境对稻蝗属物种扩散产生的效果，对了解稻蝗属物种分布规律及有效控制具有应用价值。

本研究以日本稻蝗和山稻蝗为研究对象，通过采用线粒体DNA等基因序列测定分析，对其分子遗传多样性、种群遗传结构、谱系分布进行研究，结合生物地理学信息，对该属物种分化及其生态适应规律进行探讨。本文的研究成果有如下几个方面：1）通过对19个种群的433个日本稻蝗个体进行线粒体DNA COI 基因部分序列测定分析，共享单倍型仅分布于各个种群内部，种群间和组间并不存在共享单倍型。系统发育树表明：聚类树的拓扑结构与地理格局相吻合，单倍型首先以种群为单位相聚，大部分相邻的种群率先聚为一支并最终形成五个大的聚类簇。TCS分析形成了具有明显间隔的网络结构图，相邻的5个组间均有较多的突变步骤。分子方差分析结果表明，19个日本稻蝗种群具有很明显的地域分化，按照地域分隔形成的5个组间的遗传变异达到了总变异度的62.96%，遗传分化极其显著。LAMARC 结果表明，在同一地域的不同种群之间有频繁的基因交流，但是不同地域之间的种群基因交流不明显。FST值和网络结构图显示，5个组起源于共同的祖先种群，但是由于长时间的时空隔离，使不同组间的基因交流明显减少，最终形成遗传分化。Fu's Fs 检验结果显示所有检验结果均为负值，中国西南部组（TC）和菲律宾南部组（ILO和DAV）中性检验结果显著。5个组经过错配分布计算转化得到的扩张曲线显示，中国西南部组腾冲（TC）种群和菲律宾北方组（BAL和IRRI种群）呈现单峰倒钟形曲线，其余各组均为多峰曲线，表明这两个组在近期经历了瓶颈效应和种群扩张。TC种群的扩张时间约为92820年前，菲律宾北部组的扩张时间约为70940年前。采用DNA序列测定对采自我国南方的7个山稻蝗种群进行检测，以探讨生态隔离和环境对山稻蝗种群遗传结构和谱系地理学格局的影响。2）168个个体用于线粒体DNA序列片段测定，结果表明，在不同的地理区域间，遗传多样性并未随着海拔或者经纬度的变化而发生明显的差异，聚类树呈现7个独立的分支，这与由于高山和河流隔离形成的地理结构相吻合。TCS网络结构图显示出相连的网络结构，AMOVA结果表明在不同区域间的种群遗传分化极显著，说明不同区域间存在长期的时空隔离，推测中国南部和西南部是山稻蝗和起源和冰期避难所。所有单倍型首先以种群为单位相聚，在临近区域不同种群之间有频繁的基因交流。 发表学术论文2篇，另有3篇sci论文已投出。