顯示具有 phylogeny 標籤的文章。 顯示所有文章
顯示具有 phylogeny 標籤的文章。 顯示所有文章

2019-12-06

[i think][comparative morphology]昆蟲翅脈模型及 PCu 脈之演化分佈
The discussion of models of the wing vein of insect and evolutionary distribution of PCu vein

     化石物種大多不被納入親緣分析,主要代表某個演化支所存在的時間,討論特徵與物種多樣性之輻射分化時期。化石生物的形態特徵若能被有效編碼,能更加全面利用化石證據。昆蟲體型小,多數化石為平面,因此丟失許多形態特徵細節。然而昆蟲的翅多數特徵本來就是平面結構,特徵保留較為完好,翅脈便成了分析昆蟲化石的穩定材料。若要將翅脈形態的多樣性分佈作為親緣重建的材料,必須確認翅脈在不同支系間是否存在同源關係。節肢動物體節的同源性在許多研究都被強力支持,如比較形態學與化石證據發現體節的數量,都演化自共同祖先之原始體節的癒合;分子資料則顯示分節發生、體節發育、分化的基因調控機制,在不同支系具有高度的相似性,應來自同一祖先型基因。而昆蟲的翅也具有單一的起源,皆由石炭紀的共同祖先背板延伸結構演化而來,研究推測此結構因為具有適應優勢,造成支系發生輻射演化成為有翅昆蟲。而翅脈亦存在該共同祖先的翅上,因此儘管分佈與形態多樣,翅脈的存在也是同源的。

     然而翅脈形態在各演化支系間高度歧異,在同一支系內則非常穩定,因此可以推測同一演化支的物種,翅脈分佈具有發育上的同源性,但在不同演化支之間則無法確定。且因為翅脈中的縱脈1主要為神經、氣管以及充滿血淋巴的空腔組成,其分佈模式之變異對適應性的影響較低,因此許多相似可能屬於趨同演化,位於同一相對位置的翅脈,未必在發育與演化上屬於同一系統。且在基因層面上調控翅發育之基因在功能上有相當高的可塑性,如許多控制翅發育的基因在 Onthophagus 之糞金龜前胸背板的表現可影響角的發育 (Hu et al. 2019)。因此無法確定控制翅脈的基因在不同物種必然具有相同的功能,反過來說不同目之昆蟲翅脈分佈在基因調控上未必同源。過去有大量研究探討此問題,許多形態學者透過大範圍的比較形態,歸納翅脈分佈在不同演化支的模式,以找出證據支持翅脈分佈皆由原始翅脈發生分支、癒合、峰向  (convexity)2  轉變等衍伸而來。並在同源的前提之下,根據翅基氣管分佈、分支數量、癒合、退化、翅鍵骨 (axillary sclerite) 形態以及翅折疊方式等特徵,試圖建立具有演化意義的翅脈模型。

     不同學者對前半部的翅脈見解大多一致,然而 Cu (Cubtius) 區與 A 區 (anal) 翅脈在翅基部分佈變異甚大,學界對該區發育的起源仍無共識。因此形態學常引援的翅脈模型,在 Cu 系統之術語存在歧異。Comstock & Needham (1898) 檢視剛羽化個體以及稚蟲翅脈分佈,認為 Cu 系統分為 Cu1 與 Cu2。有些支系的 Cu1 在翅緣分岔為二;有些則與 M 系統的最後一條翅脈 (M4 或 M3+4) 癒合,例如在蟬科、膜翅目、鱗翅目多有癒合情形。Cu2 多不分岔,有些支系的 Cu2 與 A 系統第一條翅脈 1A 癒合。而 Cu 的下一個分支皆屬於 A 系統,除 1A 在翅基部獨立分支外,其餘在基部氣管相連 (若無退化)。Comstock (1918) 沿用此系統定位並描述各目昆蟲翅脈。Snodgrass (1935) 重新檢視翅脈起源的分佈與發育,其中包含對 A 系統之變異進行討論。發現翅基部之氣管完整分化的翅脈應具有六條分支 (Fig. 1),並發現 Comstock & Needham (1898) 所建立之系統中的 1A,即翅前緣算起的第五條,在發育早期於翅基部與 Cu 與其餘 A 脈皆無癒合,應屬獨立的系統因此將其稱作 PCu。至於 Comstock & Needham 所指稱的 2A 以後的翅脈皆起源於第六條分支在翅緣的分岔,且由於在基部與第三翅鍵骨相連,對翅的折疊與飛行皆具重要功能,將其稱為 V 脈 (vannal vien)。然而 Snodgrass 並沒有否定 A 系統的概念,仍將 PCu + V 整個系統合稱 A 脈,即 1A = PCu;2A = 1V;3A = 2V... 依此類推。Emelhanov (1977) 以同翅目 (Homoptera)3 昆蟲為材料進行形態學研究,並詳加定位各系統翅脈分支在不同物種之多樣性,同意 Snodgrass 對 PCu 的理解,但將 V 脈改稱 A,即將 PCu 排除 A 系統。並在 Emelhanov (1987) 將此翅脈模型作為蟬科昆蟲的親緣研究之基礎。Li et al. (2018) 則在蟑螂若蟲的翅芽發現 Cu 系統與 A 系統在翅基來自單一起源 (Fig. 2)。下文將根據 Snodgrass (1935) 之系統進行敘述。


Fig. 1. Snodgrass (1935) 翅脈模型。A. Scudderia 若蟲之後翅 (From Comstock, 1918) 翅基有六個氣管分支。B. Isogenus 後翅,PCu 獨立起源且 V 脈發達。C. Panorpa 前翅。

2019-10-21

[i read][分子演化]
鱈魚透過基因突現之機制獲得抗凍蛋白基因之討論
The discussion of codfish antifreeze protein gene acquired through de novo gene birth


傳統的分子演化觀念認為多數生物的新特徵是由於基因突變產生。各種突變類別中,基因或染色體的 duplication (基因重複) 不會導致讀序框錯誤而產生失功能蛋白,因此較容易被保留下來。基因 duplication 可直接改變該基因的表現量,並影響其上下游基因,可能造成表型改變。另一方面 duplication 的過程亦會發生點突變等錯誤,非致死的突變便被保留下來,是而過去研究發現許多以 duplication 為基礎而產生的新性狀。因此演化學家認為新生成的基因主要來自既存基因之 duplication,累積變異並產生適應差異的演化素材。

生物若經歷基因之 duplication,可發現該序列存在數個相似或完全相同的副本。依據基因的理論演化速率,在近緣物種間比對,除了可重建該基因在該支系的演化歷程,亦能 duplication 事件如何影響生物表徵。而非編碼序列演化為新生基因則被認為不發生於近代演化事件,因為非編碼序列通常不影響適應性。然而有些生物的基因與其他近緣種比對卻找不到相似的序列片段。例如近期發現大西洋鱈魚 (Gadus morhua) 抗凍蛋白基因 (afgps) 在數個近緣種之基因組中皆無發現相似的基因,只在基因組中發現部分重合但無法正常表現之序列,表示該基因並非來自某個既存的祖先基因。因此研究者轉往非編碼序列發生 de novo gene birth  (暫譯基因突現) 的方向探討。