昆虫近缘种的形态演化、遗传分化规律及其与生境异质性相关性研究-以竹蝗属为例

Morphological characteristics and evolution of insects are interesting research topics. Ceracris, for example, has long- and short-type wings that are similar to those of Pronotum, and significant differences have been observed in cross-species studies. As of this writing, information on character evolution is lacking. The environment is very important in insect survival and development, and an increasing number of evidence revealed that phenotypic variation of organisms is closely related with special climatic conditions. Environmental pressure may cause changes in phenotypic characteristics and genetic structure and may lead to the formation of geographic groups or new species with morphological and genetic differences. We determine how unique environmental factors affect Ceracris morphology, particularly the shape of the insect. We also determine the difference in shape and genetic structure among species. Geometric morphometric methods are used to analyze morphological differences among Ceracris species. Molecular markers are used to analyze their genetic differences. A geographic information system can synthetically analyze the distribution patterns and the application of the law of evolution among Ceracris populations. The relationship of distribution and evolution to environmental factors is determined to explore the association between environment and population differentiation. Results will contribute to speciation and evolution theory development in the fields of biogeography and evolutionary biology. Moreover, the results can be applied to the control of Ceracris pests.

昆虫近缘种的形态演化、遗传分化及其与生境异质性是生物进化过程的表现、机制和动力。定量研究这三者的相关性一直是进化生物学研究领域的热点科学问题。竹蝗属分布于我国南部，已知12种（亚种），不仅种间形态差异明显，种类变化也很丰富；物种的区域性分布特征明显。是研究形态、遗传和环境异质性三者之间相关性的好材料。本研究在收集竹蝗属昆虫标本和分布信息的基础上，通过几何形态测量学方法定量研究其主要形态结构的演化规律；通过测定多个线粒体DNA和细胞核DNA基因序列研究其遗传分化；运用GIS技术整合种群的分布区域及地理环境数据，研究关键环境因素对种群分布的影响。整合分子、形态和环境三方面的分析结果，对竹蝗属的物种分化和种下演化模式进行解释，并建立形态、遗传和环境之间相关性的规律和模型。研究结果对生物地理学和进化生物学中物种的形成及演化规律有重要理论意义，同时对于竹蝗的防治也有借鉴意义。

本项目针对竹蝗属内分类地位有争议的黄脊竹蝗是否独立划为一属，大青脊竹蝗与青脊竹蝗的物种划分问题进行研究。从翅型差异、雄性阳具脊背片差异，以及遗传结构方面证实，黄脊竹蝗应为竹蝗属中的一个物种，不应独立设属。大青脊竹蝗与青脊竹蝗属于亲缘关系较近的两个物种。竹蝗属中7种竹蝗的前翅翅型分析表明，竹蝗属前翅能够初步划分为翅末端宽大（青脊竹蝗，思茅竹蝗和西藏竹蝗）和狭窄（大青脊竹蝗、黄脊竹蝗和贺氏竹蝗）两种模式。后翅翅型特征主要是中脉域的末端收缩（西藏竹蝗）和向外突出（其他6种竹蝗）两种模式。在物种的划分中，生殖结构的差异是划分物种的基本依据。本研究由雄性阳具基背片分析7种竹蝗的亲缘关系，结果显示思茅竹蝗与黑翅竹蝗独立聚为一支；大青脊竹蝗与青脊竹蝗为同一个进化支；黄脊竹蝗与贺氏竹蝗聚为一支。因此初步认为大青脊竹蝗、青脊竹蝗和西藏竹蝗三者的亲缘关系较近，思茅竹蝗与黑翅竹蝗亲缘关系较近，而黄脊竹蝗与贺氏竹蝗的亲缘关系较近。运用线粒体基因和核基因分析青脊竹蝗和大青脊竹蝗在遗传结构上的关系，结果表明二者在遗传结构上可以有效划分为不同的种群。然而，青脊竹蝗种内地理上的遗传差异大于青脊竹蝗与大青脊竹蝗种间的遗传差异性。. 以“近缘种形态演化”为主题的棺头蟋属颜面演化规律显示，强大的颜面具有种内竞争优势（棺头蟋常通过颜面顶牛式进行打斗），但是颜面的过度发展严重挤占了颜面复眼的空间，对生存竞争可能是不利的。以“近缘种形态演化”为主题的不同地理区疣蝗的形态演化规律显示，不同地理环境中疣蝗的体型大小、翅型结构发生显著差异，体型大小随地理纬度的增加呈逐渐变大的趋势。翅型特征可以将疣蝗有效划分为北方地理群，华中地理群以及西南地理群。疣蝗翅型特征的变化规律与气温、降水和光辐射等因素显著相关。本项目成果对于生物地理学和进化生物学中关于物种的形成及演化规律等重要理论的拓展具有重要意义。