小熊貓的系統發育學研究概述

2024年1月13日發(作者：杏組詞)

《生命科學前沿進展》——綜述

小熊貓的生態習性及系統發育的研究綜述

摘要：追溯生物界不同生物類型的起源及進化關系,即重建生物類群的系統發育樹是進化生物學領域中一個十分重要的內容。食肉目哺乳動物位于食物鏈頂端, 很多成員不僅在我國野生動物保護工作中占有重要地位, 而且還是研究動物適應性進化遺傳機制的重要模式生物。因而, 食肉目物種作為物種資源中的一個重要類群, 其系統發育學一直是國內外研究的熱門課題。構建可靠的食肉目分子系統樹, 無疑將具有重要的進化理論意義和保護生物學價值。鑒于目前食肉目各科間系統發育關系仍然處于“廣泛爭論”的狀態, 特別是小熊貓究竟應該是熊科，還是浣熊科，或是應該獨立成群，是多年來備受爭議的問題。本文對食肉目小熊貓的生態習作簡要總結，對小熊貓的系統發育學研究進展,包括來自于形態學特征、細胞學、分子生物學及系統發育基因組學方面的證據做簡要概述，希望為其它生物的系統發育研究提供一定的指導。

關鍵詞：食肉目；小熊貓；生態習性；系統發育; 形態學; 細胞學；分子生物學；系統發育基因組學

Summary of Ecological traits and

Phylogeny in Ailurus fulgens

Abstract：Tracing evolutionary relationships among organisms and

reconstructing species phylogenetic trees is vital in evolutionary

biology. Species in the mammalian order of Carnivora rank top in the animal

food chain. Most carnivores have received great interest in the

conrvation of wild animals and are also crucial model animals for the

study of the molecular mechanisms of adaptive evolution. As an order

bearing important evolutionarily significance and conrvation value ,

the phylogeny of Carnivora has received special attention. In this article,

we reviewed higher-level(interfamilial)phylogeny of carnivores bad on

previous cytological,morphological，molecular and phylogenomics evidence.

Hope to provide some guidance for phylogenetics studies of other

biological.

Key words : Carnivora；Ailurus fulgens；Ecological traits；Morphology;

cytology；Phylogenetics; Molecular biology; phylogenomics

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《生命科學前沿進展》——綜述

前言：小熊貓（Ailurus fulgens）又名紅熊貓、紅貓熊、小貓熊、九節狼等，是一種瀕危的哺乳類動物，分布在中國南方到喜馬拉雅山麓、不丹、印度、老撾、緬甸、尼泊爾等國。小熊貓屬于食肉目，食肉目是哺乳動物的第四大目，也是人們最為熟悉的目之一。食肉目物種種類繁多，包括虎、豹、馬來熊等野生種類和家養的貓、狗，而且許多珍稀物種和著名的毛皮獸、藥用獸及展覽動物也是其重要成員。食肉目的很多成員位于食物鏈的頂端，其重要性無可替代。小熊貓棲居在樹洞或石洞中，凌晨和黃昏出洞覓食，其余時間爬上高樹歇息。雜食性，吃竹筍、野果、嫩枝葉，或捕捉小鳥、小鼠、昆蟲和鳥卵為食，但以竹為主食。然而，小熊貓因其似熊非熊的形態特征，使得它的進化地位存在很大的爭議，無法得到解決。來自形態學方面的證據支持小熊貓與熊科為姐妹群，而根據核型和蛋白電泳，DNA雜交等分子證據則提出小熊貓是浣熊科成員。基于線粒體基因組數據的分析顯示，小熊貓與臭鼬科或由浣熊科、鼬科和臭鼬科組成的進化枝關系最近。此外，核基因數據表明小熊貓與浣熊科和鼬科的關系更近。本文對食肉目小熊貓的生態習作簡要總結，對小熊貓的系統發育學研究進展, 包括來自于形態學特征、細胞學、分子生物學及系統發育基因組學方面的證據做簡要概述，這對今后食肉目系統發育方面的進一步研究工作具有指導意義, 對其它生物的系統發育研究也有一定的指導作用。

1、小熊貓的生態習性

1.1、主要營獨棲生活

小熊貓棲息的生活環境與大熊貓極為相似,然而在小熊貓是營集群還是獨棲的生活方式上卻有不同報道。國內一些學者認為小熊貓通常3～5只成群地過著集群生活(馮祚建等, 1988;胡錦矗等,1990),然而Roberts ( 1979、1981) 、Roberts和Gittleman (1984) 、Sunita(2001)均認為小熊貓是一種獨棲的獸類。Prater

(1980)報道了除母幼群以及繁殖季節可能發現配對小熊貓一起覓食外,成年小熊貓

2

一年中絕大多數時間都過著獨棲生活。1985～2003年,蜂桶寨自然保護區部分工作人員在野外共目擊觀察野生小熊貓35次,其中28次(80% )為單只活動,其余7次僅包括2～3只個體,其中繁殖期或育幼期占5次(作者未發表數據)。由此看來,野生小熊貓與大熊貓一樣,在一生中的大部分時間均營獨棲生活。

1.2、無冬眠的習性

Johnso等(1988) 、Reid等(1991)及Yonzon等( 1991)在臥龍自然保護區、Langtang國家公園(尼泊爾)開展的監測工作表明小熊貓亦不具有冬眠的習性。而在臥龍自然保護區與長青自然保護區兩地開展的長期監測工作表明大熊貓在冬季仍保持較高的活動率。在這里，兩者具有很高的相似性。

1.3、活動與休息多次交替進行的晝夜活動模式

在臥龍自然保護區, 一只小熊貓成年雌體與另一只成年雄體的巢域重疊率達60%以上。在蜂桶寨自然保護區, 6只佩戴無線電頸圈的小熊貓個體的巢域重疊率在10. 7%～70. 6%之間不等(作者未發表數據)。

Johnson等( 1988 ) 在臥龍監測的小熊貓個體活動率僅36. 5% ,每天的長休息( > 2 h)平均達2. 1次; Reid等(1991)在臥龍監測的小熊貓活動率平均為47% ,每天長休息次數平均為1. 5～1. 7次。與大熊貓相似,小熊貓亦具有活動與休息多次交替進行的晝夜活動模式。

小熊貓的活動率較大熊貓為低,臥龍一只小熊貓的活動率雌性與雄性分別為49%和45% ,在白晝的活動率顯著高于夜間。小熊貓的活動高峰則分別出現在黎明之后7∶00～10∶00及天黑之前17∶00～18∶00。在冶勒自然保護區, 小熊貓則喜好選擇坡度較大的區域,并具有較高的倒木、灌木以及樹樁密度。蜂桶寨自然保護區內小熊貓則偏好倒木、樹樁密度均較高的區域。

1.4、以竹為主食

在邛崍、小相嶺及涼山山系,

小熊貓

《生命科學前沿進展》——綜述

食譜中竹子成分所占比例在80% ～98%之間不等。在食譜組成上,竹葉是小熊貓全年最重要的食物來源,在春季與秋季小熊貓亦采食新筍及植物漿果等。據胡錦矗等(1987、1992)觀察,小熊貓攝取竹葉時總是“不慌不忙,從下到上,仔細地一匹一匹地采摘竹葉”。小熊貓對食物的咀嚼加工較大熊貓更為徹底,這有助于提高對竹葉的消化利用率。胡錦矗等(1987)曾用0. 8 mm的篩孔對3團小熊貓和大熊貓糞便進行過濾,約69. 7%的小熊貓糞便通過了篩孔,大熊貓糞便則僅6. 8%通過。【1】

2、小熊貓的系統發育

2.1、細胞學研究

始于20 世紀60 年代的食肉目物種核型研究表明, 食肉目各科之間存在相對保守的染色體組型。盡管各科內的某些物種在染色體數量上可能差別很大, 但是多數的食肉目各科都有一個或多個物種在染色體數量、形態和帶型方面與食肉目祖先核型( CAR ) 相似, 其中貓科的核型最保守, 與CAR 最相似。迄今為止, 從細胞遺傳學水平上系統地對食肉目所有科進行系統發育關系推斷還停留在早期Wurster &

Benirschke (1968) 的核型研究。大熊貓和小熊貓在食肉目中的進化地位是棘手的難題。最初的核型研究,是強調大熊貓和熊科物種之間在核型方面存在的差異, 因為大熊貓具有2n = 42 條等臂染色體, 而大多數熊科物種有2n = 74 條近端著絲粒染色體。Wurster2Hill & Bush(1980) 通過比較大熊貓和熊科的G 帶核型, 發現它們之間只有3 條同源染色體, 支持大熊貓單獨列為一科; 而后來進一步高分辨率的核型分析, 發現大熊貓的核型, 其實是由一系列熊科原始核型中的染色體的中心粒融合而成, 從而, 提出大熊貓與熊科物種有緊密的親緣關系。相比之下, 大熊貓與小熊貓的核型差異很大, 小熊貓與浣熊科物種之間顯示有很多同源染色體。因此,

自20 世紀以來, 幾乎所有的分類學家和哺乳類學家都認為核型證據支持小熊貓屬于浣熊科。

2.2、形態學研究

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食肉目的現代分類研究始于兩位英國解剖學家Turner (1848)和Flower (1869)

的工作, 他們首次使用與食性無關的因素,

根據基底顱骨區域的形態特征對食肉目進行科水平的分類研究, 成為食肉目系統學研究的一個重要轉折點。此后, Hunt(1974 ,

1987) 基于食肉目物種的聽泡類型對食肉目的進化歷史也進行了評估。他將食肉目分成犬型和貓型超科。犬型超科包括兩大類群, 熊科(包括大熊貓) 、小熊貓、海獅科和海象科聚為一類; 其他食肉科聚為一類。Flynn et al(1988) 和Wozencraft

(1989) 將所有使用過的形態學性狀加以整理并結合起來進行聚類分析。由于選擇的形態學性狀以及編碼方式的不同, 他們得到了不同的食肉目系統樹。Flynn et al

(1988) 根據基底顱骨的解剖特征將食肉目分成犬型和貓型超科,犬型超科由犬科和熊超科組成, 熊超科包括3 個主要進化枝: 熊科、單源的鰭腳類以及Musteloideansu stricto (浣熊科和鼬科, 不包括臭鼬亞科) ; 大熊貓與熊科有緊密的親緣關系, 小熊貓屬于浣熊科還是熊科則無法確定; 貓型超科的4 個科形成多歧式分枝關系。Wozencraft ( 1989)

結合有關顱骨、牙齒、顱后骨和軟骨等100

個形態學特征進行分析, 認為食肉目中的犬型超科由Ursoidea 和Canoidea 組成,

前者包括熊科、海獅科和海象科,

后者包括犬科、浣熊科、鼬科和海豹科, 因而支持鰭腳類的“雙起源”觀點; 鼬科是單系群; 大熊貓和小熊貓與熊科關系最近; 貓型超科中, 貓科和鬣狗科的關系最近, 靈貓科是它們的姐妹群, 科最先分歧。此后,

Wyss & Flynn(1993)對Wozencraft(1989)的形態學性狀重新分析并加以修改, 提高性狀的質量, 最終基于64 個性狀構建了食肉目各科之間的系統發育關系，單起源發生的鰭腳類與熊科(包括大熊貓)的關系最近,小熊貓是它們的姐妹群,而浣熊科是鰭腳類、熊科和小熊貓的姐妹群。

2.3、分子生物學研究

Wayne et al (1989) 第一次系統地應用DNA 雜交技術研究了食肉目各科之間

《生命科學前沿進展》——綜述

的系統發育關系,其結果表明小熊貓是浣熊科的成員;

OpBrien et al (1985) 結合DNA 雜交, 同工酶和血清蛋白免疫學多種分子生物學手段對小熊貓的系統學位臵進行了探討, 得到的結果與Wayne et

al(1989) 的雜交和Goldman et al (1989)

的同工酶結果相同, 支持小熊貓屬于浣熊科。

在過去的幾年中, 大量的分子生物學技術已經應用到食肉目物種系統發育關系的研究中, 尤其是線粒體(mitochondrial ; mt ) DNA 序列, 由于該mtDNA 具有母系遺傳, 缺乏重組, 進化速率快和較小的有效群體等優勢, 使得它成為研究動物系統發育關系的首選標記。與傳統的研究方法和早期的分子生物學技術相比, mtDNA 分析提供了更多關于食肉目物種進化歷史方面的信息。然而, 由于各個學者選擇不同的基因片段和分析方法,

得到的結論也不盡相同。小熊貓的系統發育學位臵依然存在很大的爭議。Flynn &

Nedbal ( 1998) 首次使用來自于核基因組的甲狀腺素轉運蛋白基因(TTR) 第一內含子序列研究食肉目各科間的系統發育關系。系統重建分析表明，小熊貓與Musteloidea nsu stricto 的關系最近。但是, 系統樹上的很多分枝支持率很低,

小熊貓、浣熊科和鼬科三者之間的進化關系仍然無法得到肯定的結論。除了核基因的單獨分析以外,Flynn & Nedbal(1998)還結合以前報道過的線粒體細胞色素b

(cytb)基因全序列, 12 S rRNA 的部分序列以及Wyss & Flynn (1993) 的形態學數據進行結合分析, 支持浣熊科和鼬科具有更近的關系, 小熊貓是它們的姐妹群。此后, Flynn et al (2000) 使用相同的核基因片段, 結合3 個線粒體基因(cyt b 全序列、12 S 和16 S rRNA部分序列) ,增加犬型超科物種, 著重探討了小熊貓的系統學位臵。有趣的是,小熊貓與新增加的臭鼬亞科和Musteloidea nsustricto聚在一起,因此,小熊貓的位臵由于臭鼬亞科的加入而變得更加撲朔迷離。Flynn et al

(2005) 和Yu & Zhang (2006)

除了采用流

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行的多個線粒體基因外,還分別篩選了多個有效的核基因標記, 通過多基因序列數據的整合分析, 構建了食肉目科間系統發育樹,

支持小熊貓與浣熊科，這與Flynn

&Nedbal(1998)的研究結果基本一致。【2】

2.4、系統發育基因組學研究

生物基因組計劃的相繼啟動對系統發育學研究的發展產生了深遠影響。將基因組學和系統發育學結合起來的“系統發育基因組學”在這一背景下應運而生, 這門嶄新交叉學科的出現成為重建“生命之樹”的一條迷人途徑。由于許多生物的全基因組測序的陸續啟動而導致大量核酸和蛋白質序列的迅猛驟增, 要求采用最新的概念或分子技術來促進對已獲得的基因組序列的分析。“系統發育基因組學”正是在這一需求和背景下產生的。因此, 它來源于生命科學中兩個主要領域的結合: “基因組學(Genomics)”, 即基因和基因組的結構和功能研究, 和 “系統發育學(Phylogenetics)”, 即生物間的進化關系研究。大量的基因組數據將為重建生物間進化關系的研究提供海量的分子性狀, 使很多在以前因為只使用很少量數據的研究中無法解決的問題有望得以澄清【3】。

Yu li等首先利用人，鼠和狗等已有模式的生物基因組信息，篩選大量長度合適、適合標記的基因片段。然后將它們放在一些食肉目的各科代表物種中進行檢驗。他們一共篩選出22個符合標準的基因，在16個食肉目各科代表物種中進行PCR擴增和測序等分子生物學實驗。獲得基因后，基于系統發育學分析方法，構建系統發育樹。結果表明，小熊貓是浣熊科和鼬科的姐妹群，與它們關系最近。并不支持形態學和線粒體基因組的研究結果。小熊貓既不屬于浣熊科，也不屬于熊科，應該單獨列為小熊貓科【4】。

以前的研究多是基于少量線粒體基因或少量核基因的分析，即使近年來有些基于大量核基因標記的研究，但是使用的基因標記多是在已有文獻中已報道的基因標記，而且多為蛋白編碼基因的研究。而Yu

li等（2010）的研究是利用基因組信息，

《生命科學前沿進展》——綜述

系統篩選大量核基因標記，且為非編碼基因。這些基因都是首次在食肉目分子系統學研究中得以應用。這項研究提供了一個使用大規模基因數據進行哺乳動物分子系統學研究的成功范例，而且為脊椎動物分子系統學研究提供了新的核基因標記，具有重大的意義。

小結：

小熊貓究竟應該是熊科，還是浣熊科，或是應該獨立成群，是多年來備受爭議的問題。來自形態學方面的證據支持小熊貓與熊科為姐妹群，而根據核型和蛋白電泳，DNA雜交等分子證據則提出小熊貓是浣熊科成員。基于線粒體基因組數據的分析顯示，小熊貓與臭鼬科或由浣熊科、鼬科和臭鼬科組成的進化枝關系最近。此外，核基因數據表明小熊貓與浣熊科和鼬科的關系更近。盡管Yu li等的研究支持小熊貓是浣熊科和鼬科的姐妹群，應該單獨列為小熊貓科，但是，由于各方面的證據得出的結果的差異很大，至今都沒有一個相對統一的答案，因此，關于小熊貓系統演化地位的爭議依然存在。然而，我們也應該看到，于黎等的研究成果具有不看人替代的意義，特別是他們使用大量基因篩選的研究方法，開辟了一條新的構建“生命之樹”的道路。不難看出，系統發育基因組學有實現“重建生命之樹”的巨大優勢和潛力。目前國際上幾個基因組研究協會已經分別開始進行不同生物類群的全基因組序列測定, 全世界科學家的通力合作無疑將會大大促進系統發育基因組學的發展和應用。相信不久的將來，人類會最終確定小熊貓或食肉目乃至整個生物界的系統演化地位。

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