更新世气候变化对海南岛竹蝗种群遗传结构和动态的影响

The repeated formation and loss of land-bridges during the Pleistocene have had lasting impacts on population genetic structure. Hainan Island in China is one of the world’s biodiversity hotspots, where island populations persisted through multiple glacial cycles; alternating periods of isolation and contact are expected to have driven population and species divergence. Here, using statistical phylogeographic methods, we combine mitochondrial and nuclear sequence data with microsatellites to dissect the impact of Pleistocene climate change on population genetic structure and demographic history in these bamboo locusts Ceracris nigricornis laeta, C. fasciata and C. hoffmanni common to the mainland and Hainan Island in China. Phylogenetic relationships among the bamboo locust lineages are reconstructed, the loucst population diversity and geographical pattern are compared, and divergence times among the different bamboo locust lineages are calculated, as well as the population differences and climate events time consistency are tested. Combined with ecological niche modeling technology, the glacial refugia of bamboo locusts are inferenced, and then historical causes and evolution process forming the geographic pattern of modern distribution are explored in the different populations of the three species of bamboo locusts. The project has important scientific value for revealing the law of the role of climate on organisms and the response for organisms to the climate change, and is of great significance for the study of continental island species diversification, and also can provide certain scientific grounds for the forecast of bamboo locust disasters of forestry in China.

在更新世，陆桥的反复形成和消失对种群遗传结构已产生持久的影响。海南岛是国际生物多样性热点地区之一，岛屿种群持续了多个冰川周期，我们预计其隔离和接触的交替周期已驱动了种群和物种的分歧。本项目将以大陆和海南岛共有的大青脊竹蝗、黑翅竹蝗和贺氏竹蝗为对象，拟应用统计谱系地理学方法，结合线粒体和核基因序列以及微卫星数据，研究更新世气候变化对这3种竹蝗的种群遗传结构和动态历史的影响。我们重建竹蝗谱系发生关系，比较其谱系地理格局，估算其有效种群大小及不同竹蝗谱系间的分歧时间，检测其种群分歧时间与气候事件发生时间的一致性；结合生态位建模技术，推断竹蝗的冰期避难所，进而探讨这些竹蝗不同地理种群现代分布格局的历史成因和演化过程。本项目对于揭示气候对生物的作用规律以及生物对气候变化的响应有着重要的科学价值，对于今后研究大陆性岛屿物种多样化具有重要意义，同时也可为我国林业竹蝗灾害的预测提供一定的科学依据。

竹蝗是我国重要的林业害虫，在大陆地区危害较为严重的有黄脊竹蝗、青脊竹蝗和黑翅竹蝗，而海南竹蝗物种多样丰富但尚无危害报道。更新世气候波动对全球生物多样性及其分布造成了巨大的影响。为此，我们想利用分子生物学手段揭示更新世气候波动对海南岛竹蝗种群遗传结构和动态影响有多大。本项目主要研究了海南岛及其周边地区竹蝗的遗传多样性和种群遗传结构、种群动态历史、谱系地理格局比较、冰期避难所、全基因组SNP标记和功能基因及其适应性进化，获得如下重要结果：1）在野外采集过程中，我们发现黄脊竹蝗在海南岛五指山以南有分布；海南竹蝗并非海南岛特有，至少在广东徐闻县有分布，这些发现丰富了竹蝗物种在我国的分布记录。2）完成了黑翅竹蝗、贺氏竹蝗和海南竹蝗的线粒体全基因组测定，确认竹蝗属为一单系群，揭示海南竹蝗与贺氏竹蝗互为姐妹群，亲缘关系密切；大青脊竹蝗和思茅竹蝗 2个亚种的分类地位不能成立。3）黄脊竹蝗存在明显的种群遗传结构，在距今1.4万年前发生过种群扩张，我们推测：第四纪盛冰期阶段的气候和生态的或环境状况的巨大波动可能对该蝗的遗传多样性和种群动态具有重要影响。4）青脊竹蝗海南种群与大陆种群有较高的基因流；青脊竹蝗的广东雷州种群与福建三明种群有较近的亲缘关系，且这2个种群部分个体已渗透到海南；云南种群自成一组，是否与其他种群已发生明显的分化，值得今后深入探究。5）通过转录组测序结果分析发现，在黄脊竹蝗的消化系统中有3个胰蛋白酶基因，即TRY1B、CHY3a和TRY1C；获得了其胰凝乳蛋白酶基因CkiaCHY12的cDNA全长875 bp，且研究表明，该基因在竹蝗的胃盲囊中显著高表达。6）获得了青脊竹蝗VgR基因的全长cDNA 5,675bp；选择压力分析表明，昆虫VgR基因在总体上受到了负选择。7）首次对黄脊竹蝗、海南竹蝗和贺氏竹蝗的生殖腺的全长转录组做了第三代高通量测序，获得了大量的全长转录本、lncRNA以及SSR，这些数据对于今后揭示竹蝗与生态系统之间的相互作用奠定十分重要的基础。