青藏高原特有昆虫草原毛虫的种群遗传结构及谱系地理学研究

Phylogeography of Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) is currently one of the hot spots worldwide. The grassland caterpillars are endemic to QTP, and heavily destroy the alpine cold grassland. The project closely focuses on the population genetics and evolution of two grassland caterpillars, i.e. Gynaephora qinghaiensis and G. menyuanensis (Lepidoptera: Lymantriidae). Referring to the recent results of molecular ecology, population genetics, and phylogeography, the population genetic structure and phylogeographic structure of G. qinghaiensis and G. menyuanensis are examined using the mitochondrial cox1 and nad5 sequences as molecular markers. The study aims to investigate the genetic diversity, demographic history, and the mode of gene flow of G. qinghaiensis and G. menyuanensis, estimate the divergence time at the interspecific and intraspecific levels, evaluate the mechanisms of genetic differentiation and ecologically evolutionary process, reveal the impact of the geological and historical events, and the Pleistocene glacial and interglacial cycles on the evolutionary history of the current genetic patterns of grassland caterpillars, infer their ice-age refugia during the Quaternary glaciation and postglacial colonization routes. The results not only are crucial to gain insight for the population genetic structure of grassland caterpillars, and promote the phylogeographic study of animals endemic to QTP, but also provide invaluable information on the ecologically evolutionary mechanism and disaster rule of the two grassland caterpillars at molecular level, which is helpful to plan appropriate pest management strategies.

本项目瞄准青藏高原动植物谱系地理学这一国际研究热点，以青藏高原特有且严重危害高寒草地的青海草原毛虫和门源草原毛虫作为研究对象，紧紧围绕其种群遗传与进化这一关键科学问题，借鉴分子生态学、种群遗传学和谱系地理学的最新成果，采用线粒体cox1和nad5作为分子标记，系统解析两种草原毛虫的种群遗传结构和谱系地理结构，明确其遗传多样性，追溯种群历史动态，阐明基因交流模式，估计种间及种内的遗传分化时间，探讨草原毛虫的遗传分化机制及生态进化过程，揭示青藏高原地质历史事件及气候环境的变迁对草原毛虫现有遗传分布格局形成的作用，推断草原毛虫第四纪冰期时可能的避难所及冰期后的迁移扩散路线。研究结果将在理论上深化对草原毛虫种群遗传与进化的认识，丰富青藏高原土著动物的谱系地理学研究，在实践上有利于从分子水平上了解草原毛虫的生态适应机制和成灾规律，为制定其有效的控制策略提供理论依据。

草原毛虫是严重危害我国青藏高原高寒草甸的重大害虫，也是我国青藏高原的特有昆虫。尽管草原毛虫具有重要的经济和生态意义，但有关草原毛虫的相关研究还非常缺乏，且大多数研究仅限于种类调查和防治。目前，全世界共报道草原毛虫15种，其中8种分布在青藏高原。然而，有关草原毛虫的物种地位、系统发育关系及物种演化过程还不清楚。为此，本项目以青藏高原草原毛虫作为研究对象，通过广泛采样，共采集到来自39个种群的488头草原毛虫，涵盖了草原毛虫在我国青藏高原的绝大部分发生区，在测定了两种草原毛虫的全线粒体基因组序列的基础上，以2个线粒体基因（COI和ND5）和2个核基因（GAPDH和EF-1α）作为分子标记，构建了青藏高原8种草原毛虫的系统进化关系，系统解析了草原毛虫的种群遗传结构和谱系地理关系，探讨了草原毛虫的遗传分化与青藏高原地质气候环境变化之间的关系。贝叶斯推断和最大似然系统树以及物种界定结果表明，青藏高原的草原毛虫是一单系群，但8个形态学物种中仅门源草原毛虫和黄斑草原毛虫是单系有效种，而其余6种很可能构成了2个草原毛虫复合种。贝叶斯分化时间估计显示，青藏高原草原毛虫与其它地区草原毛虫的分化时间为17.7 Ma，而种间和种内的分化时间分别为上新世中期-更新世早期（3.3–1.1 Ma）和更新世中晚期（< 0.6 Ma），表明青藏高原的隆升及更新世前后高原的气候变化共同推动了草原毛虫的物种形成与遗传分化；草原毛虫具有显著的种群结构和谱系地理结构，且差异性海拔环境主导的地理隔离是草原毛虫遗传分化的关键驱动力；草原毛虫具有相对较低的遗传多样性，且低海拔种群较高海拔种群具有更为丰富的遗传多样性，暗示低海拔地区可能是草原毛虫在更新世冰期的避难所。研究结果深化了对草原毛虫物种地位及进化历史的认识，明确了草原毛虫的遗传多样性、种群遗传结构及谱系地理结构，为进一步了解草原毛虫的生态适应机制和成灾规律及制定有效的控制策略提供了理论依据。