文摘
我们调查的基因多样化山蚂蚁,Myrmica kotokui,在日本阿尔卑斯山脉通过分子系统发育分析。Myrmica kotokui是广泛分布在日本,日本阿尔卑斯山脉中部发现只有海拔约1000到2000米之间。我们假设的遗传学上截然不同的演化支蚂蚁可能居住在不同的日本中部的山脉。为了验证这个假设,我们重建的分子系统学使用线粒体的DNA序列细胞色素氧化酶我基因和核元件将视紫红质基因的m . kotokui标本收集从六个日本阿尔卑斯山脉。系统显示四个高度差异化的演化支。然而,演化支和形态物种之间的对应关系有点混乱。两个演化支组成的m . kotokui标本,而其他两个演化支由multispecies,暗示的可能性multispecies公认的成分m . kotokui。分布格局的演化支不支持我们的假设地理分化,因为两人分布在所有范围,第三个是分布在五个六个范围。另一方面,我们发现一个模式的高度的分布演化支:一个进化枝只分布在高海拔地区,和其他人都分布在海拔较低地区。因此,蚂蚁演化支没有显示地理隔离的山脉,但是他们表现出高度的差异。
1。介绍
现代分子系统发育技术显示,一些物种形态是由几位遗传学上截然不同的神秘的物种1]。评估分类组的生物多样性,至关重要的是确定神秘物种,生物地理学研究,确定神秘物种的分布在生物保护至关重要。尽管许多神秘的物种被发现在几个蚂蚁属通过分子系统发育技术(2- - - - - -5),很难单独使用传统的形态学分类技术识别神秘物种,因为种内形态变异可能大于种间变异和因为趋同进化字符可能不显示任何形态变异物种间(3,5]。例如,Schlick-Steiner et al。4)使用线粒体DNA (mtDNA)重建的发展史Tetramorium蚂蚁复杂。虽然这个复杂的物种很难区分形态,通过mtDNA发展史,形态、表皮碳氢化合物,Schlick-Steiner et al。4]成功地识别七神秘的物种。
在属Myrmica泛北极地区,大约180种已知(6]。的分类Myrmica很好理解在古北区的地区,古北区的物种形态分为一些物种组织(7]。在日本,目前九个已知物种,但分类的理解Myrmica物种在日本还没有令人满意的(8]。Myrmica kotokui,这属于Myrmica rubra种群(图1),从俄罗斯远东地区,韩国,和日本(9,10)和分布在日本北部的北海道南部屋久岛(8]。这种物种可能起源于欧亚大陆(11,12),是一个寒温气候适应。因此,在低纬度地区,m . kotokui仅限于高海拔。例如,在太Norikura日本阿尔卑斯山脉,这个物种主要是在海拔大约1000到2000米(13]。因此,山区的日本,的栖息地m . kotokui是分散成几个补丁的山脉14),导致我们假设m . kotokui可能由几个遗传学上截然不同的演化支,或神秘的物种,每个居住在一个不同的山脉。此外,这种可能性是异形,两种社会制度的支持m . kotokui已观察到在北海道。的数量m . kotokui在北海道分为两组根据他们的社会结构,或一夫多妻制,一妻制的,和这两个组织也可以分化皇后区的形态特征,即头宽度和胸腔机翼长度或宽度比头宽度(15- - - - - -17]。虽然女王身体的大小m . kotokui一妻制的人群明显高于人口在一夫多妻制,大小重叠两个种群之间的广泛。因此,社会结构m . kotokui不能区分仅仅通过体型[女王16]。
的分类学分类m . kotokui是有争议的。盒(18形容这个物种是各种各样的m . ruginodis但Collingwood (9]重新分类m . kotokui作为一个单独的物种。Onoyama [19)指出,然而,m . kotokui应该考虑一个亚种的m . ruginodis因为没有显著的形态学差异m . ruginodis和m . kotokui。此外,在日本,m . kotokui可能是困惑m . rubra(19]。潮湿和拉琴科10)也报告说,来自东亚,月初出版记录m . kotokui标本似乎被误诊m . rubra。m . ruginodis和m . rubra分布在北部古北区,m . ruginodis在纬度和海拔高于生活m . rubra(20.]。m . rubra,它被称为一个外来物种传播通过北美温带10),是经常发现在北海道19]。
最近,詹森et al。12重建一个大规模属的发展史Myrmica并证实m . kotokui形成了一个从遗传学上截然不同的物种m . ruginodis和m . rubra这m . ruginodis是最近的亲戚的m . kotokui(也看到11])。他们的发展史,然而,是基于只有两个标本m . kotokui从北海道;没有m . kotokui本州的标本被包括在内。因此,澄清的分类法m . kotokui在日本,使用样本应重建分子系统学本州、北海道。
在这项研究中,我们收集了72的蚁群m . kotokui日本阿尔卑斯山脉、中央本州和的基础上重建一个分子系统学的线粒体细胞色素氧化酶我基因和核元件将视紫红质基因。我们的目标是双重的:首先,澄清的系统发育地位m . kotokui在相关类群和第二,来测试我们的假设m . kotokui由几个基因演化支,每个居住在一个不同的山脉。
2。材料和方法
2.1。采样和标本
2009年6月4日至10月10日,我们收集了72的蚁群m . kotokui来自36个地点在六个山区范围本州(越、Kita-Alps Hijiri, Yatsugatake, Chuo-Alps,和南阿尔卑斯山脉)在海拔1800 m a.s.l。从900年到凭证标本存放在理学院,松本,日本信州大学。在系统发育研究中,我们还用作小集团的两个序列m . kotokui发表的Jansen et al。12]。外,我们使用了细胞色素氧化酶和LwRh11个物种的序列使用Savolainen和Vepsalainen21),詹森et al。12)和Leppanen et al。22:三个物种(m . arisana m . rubra和m . ruginodisrubra组),其中还包括m . kotokui;七个物种(m . formosae m . serica m . yamanei m . schoediiMyrmica n . sp。2,m .籼和m . weberi)ritae集团妹妹rubra集团的进化枝;一个物种(m .玫瑰进化枝玫瑰的集团远离rubra组。此外,对于外围集团,我们添加了四个物种(m . excelsa jessensis和m . taediosalobicornis组;m . luteolaluteola集团),分布在日本。收集位置(纬度、经度和海拔)标本和他们的基因库加入数据表中列出S1(见补充材料网上http://dx.doi.org/10.1155/2012/319097)。
2.2。DNA提取、聚合酶链反应、测序
DNA提取整个身体的每只蚂蚁DNeasy血液和组织工具包(试剂盒、希尔登,德国)制造商的协议。一个线粒体细胞色素氧化酶基因和核LwRh基因是由聚合酶链反应(PCR)扩增使用豆类Taq交货(豆类生物、志贺、日本)。PCR引物对细胞色素氧化酶mtD-6 (5′gga柠檬酸有条件现金援助手枪ATA GCA TTC CC-3′)和南希(5′ccc GGT AAA ATT AAA ATA TAA行动TC-3′) (23),LwRhLR143F(5′广汽AAA GTK CCA CCR雀鳝ATG CT-3′) (24GTC]和LR672R (5′ccr凸轮GCW ATG竞技场队伍有条件现金援助TC-3′) (12]。PCR用于温度概要文件细胞色素氧化酶30 95°C的周期30年代,50°C 30年代和72°C 40年代,用来做什么的LwRh30 98°C的周期为10年代,30年代55°C, 40年代的72°C。放大后,PCR产品纯化与ExoSap-IT (USB,克利夫兰,哦,美国)。循环测序反应的链进行测序BigDye终结者v1.1循环设备(ABI、Weiterstadt、德国)ABI 3130基因分析仪。
2.3。序列比对和字符数据
线粒体细胞色素氧化酶和核LwRh序列编辑和与SeqScape v . 2.5 (ABI, Weiterstadt,德国)。通过使用基础频率均匀性进行了测试测试在PAUP * 4.0 b10 [25]。Parsimony-uninformative网站被排除在测试。的测试没有拒绝同质性假设的核苷酸频率在每一对类群(;表)。测试系统信号的冲突中每个数据集,我们进行了一次不一致的长度差异(ILDs)试验(法里斯et al ., 1994) 100年与启发式搜索PAUP * 4.0 b10复制由二分树和重新连接(创业)和10个随机添加复制。ILD测试显示没有冲突细胞色素氧化酶和LwRh()。在第三密码子替换饱和程度的位置细胞色素氧化酶和LwRh序列是由策划评估转换(这)和颠换(电视)比率为每个数据集与遗传距离与夏的DAMBE软件包的方法和谢26)(图)。在饱和情节分析,简单JC69替换模型(27)是用来代替J2替换模型(细胞色素氧化酶)[28]或HKY替换模型(LwRh)[29日),这是选择在接下来的段落中描述的模型选择,因为DAMBE不支持J2和HKY替代模型。在第三个密码子替换饱和位置没有发现(;图)。此外,我们没有发现证据表明线粒体伪基因,称为核线粒体转移(numts),线粒体细胞色素氧化酶序列,从而导致错误的发展史(30.:没有indels和停止密码子细胞色素氧化酶序列。字符统计的结果后,我们使用所有数据集和位置在每个数据集的系统发育分析。
2.4。系统发育分析
最佳适合替换模型选择每一个密码子位置的每个基因利用贝叶斯信息准则5 (BIC5)和Kakusan4程序(31日)(表)。最大似然(ML)分析了2008年10月与TREEFINDER版本(28Kakusan4)和模型选择。进化枝支持评估1000年TREEFINDER引导复制。此外,贝叶斯后验概率和最大吝啬(MP)引导支持得到MrBayes版本3.1.2 (32)和PAUP * 4.0 b10软件(25),分别。模型选择BIC5也用于贝叶斯分析(表)使用默认设置运行,可以在其中执行两个独立的分析,每四个链(一个寒冷和三个加热)。100万代的贝叶斯分析来看,抽样每1000代。我们评估了日志每个采样点的可能性对世代时间确定时,马尔可夫链达到一个平稳分布,因此放弃了最初的2000棵树老化。吝啬的引导支持评估1000引导程序复制利用启发式搜索树二分和重新连接(创业)和100随机添加复制。
2.5。统计分析
海拔范围的差异分析了蚂蚁演化支的分布单向方差分析(方差分析)和图基的多重比较检验R软件包(33]。
3所示。结果与讨论
3.1。分类的m . kotokui基于DNA的发展史
分子的发展史m . kotokui被推断从两个基因共有855个基点(508个基点的线粒体序列细胞色素氧化酶序列的核基因和347个基点LwRh基因)。虽然没有冲突之间的系统发育信号线粒体细胞色素氧化酶基因和核LwRh基因,进一步分析所需要的额外的核基因序列将揭示mtDNA之间的冲突和核DNA的发展史由于基因渗入或不完整的谱系分类(34,35]。那是因为的替代率LwRh比这低得多的细胞色素氧化酶和遗传差异L1和L2和L3、L4之间没有检测到核的分析LwRh标记(数据未显示)。
确定了四个独立的演化支毫升,议员和贝叶斯分析(L1 L4;图2),这表明单一物种形态称为m . kotokui是由几个公认的神秘的物种。然而,演化支和形态物种之间的对应关系有点混乱。两个演化支(L3、L4)组成的m . kotokui标本,而其他两个演化支由multispecies: L1组成的m . rubra和m . kotokui标本,L2组成的m . arisana和m . ruginodis以及m . kotokui标本(图2)。
multispecies组成的可能性m . kotokui占困惑的分类吗m . kotokui在日本的一些研究报道(10,15,19,36]。缺乏形态的差异m . kotokui和m . ruginodis报道Onoyama [19),例如,可能是因为m . kotokui标本的L2进化枝,这是密切相关的m . ruginodis(图2),是用于两个物种的形态比较。此外,误认的m . kotokui标本,m . rubra(10,19可能发生因为L1的进化枝m . kotokui密切相关m . rubra(图2)。
在票面价值,它是可能的L1和L2的假定的m . kotokui被误认m . rubra和m . ruginodis分别,L3、L4演化支,或两者兼而有之,应当被视为真正的物种m . kotokui。在这里,分类的m . kotokui不能澄清,因为没有详细的形态比较型材料。所有从日本阿尔卑斯山脉在这项研究中收集的标本被确定为m . kotokui通过使用分类的关键日本蚂蚁Morisita et al。37),这是基于原始物种的描述Collingwood [9),但进一步的形态学研究的标本是可取的。进一步的多学科研究的形态、社会结构和表皮碳氢化合物m . kotokui及其亲属(4,5)也需要解决这些分类问题。
3.2。地理分布和高度的分布
我们每一个进化枝的地理分布调查,以确定他们是否单独地发生地孤立。我们发现L1和L3分布在所有六个山脉,L2是分布在所有山脉除了Yatsugatake,和L4(目前只有两个样本)被发现只有在Yatsugatake(图3)。因此,蚂蚁的分布格局演化支不支持我们的假设地理遗传分化的山脉。因此,我们研究了蚂蚁的高度的分布演化支日本阿尔卑斯山脉之间的900和1800米海拔,发现L3进化枝分布在海拔范围显著高于L1和L2(图4;单向方差分析,;图基的多重比较:L1×L3,;L2×L3,)。L4分布之间的显著差异并没有检测到的其他发行版,因为小L4样本大小。
这些结果提出以下问题。蚂蚁的遗传分化演化支发生在日本阿尔卑斯山脉还是已经分化的欧亚大陆迁移到日本阿尔卑斯吗?的分异演化支可能不会发生在日本阿尔卑斯山脉,有两个原因:(1)没有物理屏障分隔在日本阿尔卑斯山脉和高度的范围(2)之间的遗传距离演化支太大(6.5%)在上次冰川积累最大。因此,蚂蚁的高度的分层分布演化支可能反映多个从大陆移民适应不同层次的冷漠成为种族隔离在不同的栖息地,因为剧烈的环境差异沿海拔梯度(38]。综上所述,我们的研究结果表明,一个神秘的高地的进化枝Myrmica的存在。我们也建议进一步生物多样性可能隐藏在蚂蚁生活在高海拔地区。
确认
作者感谢t .小松,y Kataoka, t .山本和t .安藤采样支持;h . Mohri s Hiraga抽样的意见。他们感谢中部自然保护区域办事处管理我们的调查在日本阿尔卑斯山脉的许可。这项研究由长野促进社会科学。本研究支持的研究和教育经费日本阿尔卑斯山脉校际合作项目,下边了,日本。