全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 4 期
线粒体基因及其 Cyt b基因与昆虫分子系统学研究
牛京京 张守纯 金谷 于宁
(沈阳农业大学 动物分子遗传实验室，沈阳 110161)
摘 要: 由于 mtDNA 及其 Cyt b基因独特的进化速率及遗传特性，已成为追溯母系起源和群体遗传分化可信的遗传标
记，被广泛应用于研究动物起源和分化，揭示群体的遗传背景，阐释种间和种内的系统演化关系，研究种内多态性和地理分布
的关系。对 mtDNA及其 Cyt b基因的分子特点及其在昆虫系统学研究中的应用进行综述。
关键词: mtDNA Cyt b基因 分子特征 昆虫 分子系统学
Application of mtDNA Cyt b Gene in the Research of Evolution of Insects
Niu Jingjing Zhang Shouchun Jin Gu Yu Ning
(Animal Molecular Genetics Laboratory，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161)
Abstract: As featuring unique evolutionary rate and genetic characteristics，mtDNA Cyt b gene has become a reliable trace of
their maternal origin and genetic differentiation genetic markers． At present，mtDNA and the Cyt b gene has been widely used to study
the origin and differentiation of animals to reveal the genetic background． Application of mtDNA Cyt b gene has involved in exploring the
origin and evolution of insects，explaining the species and evolution of the system，and revealing the geographical distribution of intraspe-
cific polymorphism，and their relationship． This article reviewed on the Cyt b gene of mtDNA with its molecular characteristics and its
application of phylogenetic studies．
Key words: mtDNA Cyt b gene Molecular characteristics Insect Molecular systematics
收稿日期:2010-09-20
作者简介:牛京京，男，硕士研究生，研究方向:动物分子生物学;E-mail:nioupiaotian@ 163． com
通讯作者:张守纯，副教授，E-mail:zhangsc2738_cn@ sina． com
分子生物学技术应用于昆虫系统学研究，兴起
于 20 世纪 80 年代末期，近几年来发展迅速。通过
对昆虫遗传物质的研究和分析，探讨各个分类水平
上昆虫类群之间的系统发育、遗传进化、物种形成和
分化等问题，从生命的本质上探寻昆虫各类群之间
的内在联系［1］。
1 昆虫分子系统学及其研究方法
昆虫分子系统学及其研究方法是检测、描述并
解释生物在分子水平上的多样性及其演化规律的学
科，是一门综合性很强的交叉学科。其理论基础来
源于系统学、分类学、遗传学、比较生物学、分子生物
学和进化论，其方法来源于免疫学、仪器分析、生物
化学和分子生物学［2］。目前应用于昆虫分子系统
学研究的主要方法有:蛋白质电泳技术、DNA 序列
分析、限制性片段长度多态性、分子杂交技术、随机
扩增多态性 DNA 和单链构象多态性等。应用于昆
虫分子系统学研究的分子标记主要有核 DNA、线粒
体 DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)和 rDNA。由于
线粒体 DNA 结构和进化上的特点，现已成为研究进
化的重要的分子标记［3］，在昆虫的系统发育和演化
以及遗传多样性方面，利用 mtDNA 作为标记进行的
研究在过去的几十年中发展迅速。近年来利用各种
分子生物学技术对昆虫 mtDNA 的研究也越来越多，
尤其是 RFLP和序列分析，已成为昆虫分子系统学
研究中应用最多的方法。通过 mtDNA 的研究来揭
示昆虫各类群的系统发生关系亦成为当前昆虫分子
系统学研究的热点。
2 线粒体及其遗传特性
线粒体(mitochondria)是细胞中能量代谢的场
所，其由两层膜包被，外膜平滑，内膜向内折叠形成
2011 年第 4 期 牛京京等:线粒体基因及其 Cyt b基因与昆虫分子系统学研究
嵴，两层膜之间有腔，中央是基质。线粒体中含有用
于三羧酸循环、氧化磷酸化、呼吸链等的酶系及 ATP
酶复合体，并参与脂肪酸的生物合成和某些蛋白质
的合成。在多数细胞中，线粒体均匀分布于整个细
胞质中，但在某些细胞中，线粒体的分布是不均一
的，有时聚集在细胞质的边缘。在细胞质中，线粒体
一般集中在代谢活跃的区域，如肌细胞的肌纤维中
有很多线粒体;此外，线粒体也较为集中地分布在有
较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴等。
线粒体也是昆虫细胞内唯一含有核外遗传物质
的细胞器。线粒体几乎存在于所有细胞中，线粒体
的形状和数目因细胞类型及种类不同而有很大的差
异。线粒体全基因组是研究昆虫分子系统学和生态
学的一种流行的方法。
3 MtDNA的分子特征
MtDNA 呈母系单亲遗传，一般在世代传递中不
发生重组，因此能保持其祖先特征并记录了曾经发
生的进化事件。由于 mtDNA 属于核外遗传系统，子
代的 mtDNA 由母本提供，而父本几乎没有影响。因
此，一个群体中少数几个个体(甚至 1 个个体)就能
反应该群体的母系遗传结构及特征。
自从 Wolstenholme 和 Clary［4］报道了第一种动
物的线粒体全基因组起，随着分子生物学的发展，已
经超过 1 000 多种动物的线粒体全基因组被测序确
定出来，其中有超过 120 种属于昆虫物种(http:/ /
www． ncbi． nlm． nih． gov /)。
与核 DNA 相比，mtDNA 进化速度较快，大约是
单拷贝核基因进化速度的 6 － 17 倍。这主要基于以
下几方面的原因:(1)负责 mtDNA 复制的 γ 酶缺乏
校对能力和修复机制，导致在其复制时较高的碱基
错配率;(2)mtDNA 的代增时间相对较短，这种较快
速度的扩繁方式为积累碱基突变提供了更多的机
会;(3)mtDNA 是裸露的，并没有核蛋白保护，因此
易受内外环境的影响而发生碱基突变。此外，线粒
体 mtDNA 所承受的选择压力较小，因此，突变一旦
产生就较容易固定下来。研究表明，就同一个 mtD-
NA 基因组而言，不同基因有不同的进化速率，其中
D-loop 区是整个 mtDNA 基因组中长度变异和碱基
替代最大的区域，其碱基替换率比 mtDNA 的其他区
域高大约 5 － 10 倍。mtDNA 不仅能自我复制，也能
转录生成信使 RNA(mRNA)、核糖 RNA(rRNA)和
全部或部分转运 RNA(tRNA) ，还可以通过其自身
的遗传密码子系统编码合成一些维持自身结构和功
能所需要的蛋白质，从这个意义上讲，mtDNA 在很
大程度上具有相对的独立性，但 mtDNA 的这种遗传
模式同时在一定程度上也受到核基因的调控，如线
粒体为完成正常的功能，某些蛋白质和 RNA 由核基
因所编码提供的。因此，线粒体是一种半自主性的
细胞器，线粒体的发育受核基因和线粒体基因的双
重调控［5，6］。此外，昆虫不同组织细胞的 mtDNA 具
有高度的均一性，无组织特异性，且细胞中线粒体含
量丰富，这不仅有利于开展 mtDNA 研究的取样工
作，且极大地提高了在任何既定样本中 mtDNA 提取
的成功率。
4 细胞色素 b 基因的分子特征
细胞色素 b(cytochrome b，简称 Cyt b)位于线粒
体内膜磷脂双层中，是线粒体 13 个蛋白质编码基因
中结构和功能被研究得最为清楚的基因之一［7］，其
转录和翻译均在线粒体中进行。Cyt b 基因的进化
速度适中，适合研究种内到种间甚至科间的系统发
育关系。
Cyt b 基因序列 5端侧翼与 ND6 基因相连，3
端侧翼紧邻 tRNA Leu 基因，其重链(H 链)编码辅
酶 Q2 细胞色素 C 氧化酶 10 个多肽中的一个。它
所编码的 9 － 10 条多肽构成线粒体脱氧磷酸化系
统，完成从二氢辅酶 Q 到细胞色素 C 的电子传递。
它的起始密码子由基因间的 4 个核甘酸从 ND6 基
因的终止密码子分离而来。Cyt b 基因几乎在所有
的真核生物和许多原核生物的细胞中都有发现，该
基因全长 1 100 － 1 200 bp，在物种间序列长度没有
明显的差异。
Cyt b基因在碱基组成上具有偏好性，而且这
种偏好性具有种间差异。碱基组成的偏好是由序
列变异或选择压力造成的。对于编码重要功能蛋
白质的 Cyt b 基因来说，由于 DNA 水平上受自然
选择压力的影响，密码子第三位点的突变率高于
第一位点和第二位点，而且第三位点的突变大多
属于同义突变，受自然选择压力小，突变后易固
定，第一、二位点则反之［8］。无脊椎动物 Cyt b 基
因序列的核甘酸替换没有显著的偏好性［9］。在昆
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 4 期
虫的 Cyt b 基因中，A + T含量明显高于 G + C 含量
(A + T 达到 80%，G + C 仅为 20%) ，在密码子第三
位点，这种偏向性更加明显(A + T 95%，G + C
5%)。Cyt b 基因中同时存在较快和较慢进化的密
码子位点，以及保守区域和突变区域的存在使得
Cyt b 基因可应用于系统学研究。
5 MtDNA及 Cty b基因在昆虫分子生物学
中的应用
陈岩［10］根据 Simon(1994)发表的 Cyt b 基因的
通用引物，扩增了红火蚁、黑火蚁及其杂交种不同地
理种群的 Cyt b 基因片段。所测样品在 Cyt b 基因
上存在两个不同单倍型。经序列比对后，根据核苷
酸位点多态性，设计了检测红火蚁的特异引物。
PCR试验结果表明，引物成功检测出所有红火蚁样
品，而黑火蚁样品未被检出，该方法对不同虫态的红
火蚁分子检测均有效。
Marrone等［11］通过对 3 种桡足类镖水蚤的形态
学和 mtDNA Cyt b 基因的多样性研究，以期发现可
能存在的未知类群。结果给出了当前的桡足类无形
态的巨大潜力进一步证据或小形态的变化，并强调
需要 diaptomid一属修订最有争议的古北界。
Zhang［12］通过对中华真地鳖的线粒体 DNA 的
全序列测序分析，发现它是由 15 553 个碱基组成，
包含 RNA编码的 22 个基因、13 个内膜蛋白编码基
因以及 2 个核糖体 RNA 基因。所有的 tRNA 基因
都可以被折叠成典型的三叶草型的二级结构，除了
tRNASer(AGN)手臂缺失。据此构建的系统树显
示，蜚蠊目(包括等翅目)和螳螂目是姐妹群体。为
进一步研究蜉蝣目、蜻蜓目和新翅目之间的遗传进
化关系提供了有利的帮助。
李继变［13］测定了中国 10 个不同地域角倍蚜
132 个个体的 mtDNA Cyt b 基因部分序列、比较其
同源性、计算核苷酸组成及其变异指数、分析其种群
遗传变异及遗传结构、并构建不同单倍型之间的网
络和聚类图。基于单倍型的系统树和网络关系图显
示，除个别单倍型外，所有各种群的单倍型在系统聚
类树中基本表现出一种平行式的分布格局，即单倍
型并没有按地理分布形成明显的簇群，M1 － M4 可
能为原始单倍型。
姚艳萍［14］分别从形态学分类和 DNA 数据对这
4 种蚱进行了分析。形态学特征分析结果显示，锯
齿股蚱和粗体蚱形态相同之处较多，而形态的不同
之处主要表现在两者后翅的长度差异相对较大;红
背悠背蚱和九万山悠背蚱在形态上共同之处很多，
仅在头顶与颜面隆起的形状、触角与侧单眼着生位
置以及后足股节长度等方面有微小差异。对蚱科 2
属 4 种昆虫的 Cyt b，16S rRNA和 18S rRNA基因部
分序列进行了测定，3 个片段共 2 902 bp 。发现蚱
属的锯齿股蚱和粗体蚱的这 3 个基因同源序列完全
一致，悠背蚱属的红背悠背蚱和九万山悠背蚱的同
源序列也完全一致。结合形态学比较和基因序列分
析结果，提出粗体蚱和九万山悠背蚱分别是齿股蚱
和红背悠背蚱的同物异名。
张大治等［15］采用 PCR 产物直接测序法，获得
了蜻科 6 属 9 种蜻蜓的线粒体细胞色素 b(Cyt b)核
苷酸序列(长度 576 bp)。数据显示这几种蜻蜓之
间 DNA 序列变异丰富。用一种豆娘Megalestes maai
作外群构建系统发育树表明，蜻科为单系群，灰蜻属
较进化，黄蜻属相对较古老一些。这 6 属的起源关系
为黄蜻属和赤蜻属→宽腹蜻属→椎腹蜻属和红蜻
属→灰蜻属。Huo等［16］基于线粒体细胞色素 b 基因
构建了直翅目蝗总科的种系发生图谱。使用 Yunnan-
ites coriacea和 Tagasta marginella 作为外群体，用 MP
法和 Bayesian criteria 构建其种系发生图谱。结果显
示出蝗总科不是来源于单系群。
邓素芳［17］基于线粒体 Cyt b基因部分序列对蟋
蟀科的 7 属 18 种从分子水平上对它的属种间的系
统进化关系进行了研究，得出蟋蟀科的 Cyt b 基因
部分序列在碱基组成上具有偏好性。科内属种间的
系统关系比较明确，得到的系统发育树与拓扑结构
一致，且置信度较高。通过试验可以看出，Cyt b 基
因在蟋蟀科昆虫的分子系统进化分析中可以作为有
效的分子遗传标记，且适合于进行属种分类单元之
间的系统进化研究。
方雪梅［18］测定分析了叶甲科(Chrysomelidae)
15 种昆虫 mtDNA-Cyt b 基因部分序列，依据分子数
据建立了该 15 种昆虫的系统发育关系。结果表明，
跳甲亚科和叶甲亚科的亲缘关系较近，萤叶甲亚科
与前两者的关系较远。萤叶甲亚科中瓢萤叶甲为最
早分化的类群，长跗萤叶甲属、凹翅萤叶甲属和长刺
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2011 年第 4 期 牛京京等:线粒体基因及其 Cyt b基因与昆虫分子系统学研究
萤叶甲属能形成姊妹群。克萤叶甲属和守瓜属的亲
缘关系较近。
6 展望
人类的生存和发展与昆虫有着密切的联系。一
方面，昆虫为人类提供了大量的资源和财宝;另一方
面，少数昆虫也对人类的农牧业生产及自身的健康
构成了威胁。因此，昆虫一直是人类重点研究的生
物类群。昆虫分子科学已成为当前昆虫学发展的前
沿科学。昆虫分子科学的研究对我国这样一个农业
人口大国而言，其意义不言而喻。
MtDNA及其 Cyt b 基因用于昆虫学方面的研
究，不仅在理论方面加深了人们对生命现象的认识，
使人类能在分子水平上揭示生命活动的本质，并且
在实践方面也给人类带来了前所未有的成就，尤其
在农业和医学两大领域的应用已产生了巨大的经济
效益，并且已形成了以基因工程为基础的开发产业。
分子生物学及生物技术的发展有力地促进了昆虫学
在分子和细胞水平上的基础研究。
参 考 文 献
［1］成新跃，周红章，张广学．分子生物学技术在昆虫系统学中的应
用．动物分类学报，2000，25(2) :121-130
［2］黄原． 分子系统学原理、方法及应用［M］． 北京:中国农业出版
社，1998．
［3］张亚平，施立明．动物线粒体 DNA 多态性的研究概况．动物学研
究，1992，13(3) :289-298．
［4］Wolstenholme DR，Clary DO． Sequence evolution of Drosophila mito-
chondrial NA． Genetics，1985，109(4) :725-744．
［5］Beale GH，Knowles JKC 著;蔡以欣，胡楷，刘清琪，等译． 核外遗
传学［M］．北京:科学出版社，1984:9-55．
［6］赵兴波，李宁，吴常信．动物线粒体核质基因互作的研究进展．遗
传，2001，23(1) :81-85．
［7］ Gray MW． Origin and evolution of mitochondrial DNA． Annu Rev
Cell Biol，1989，5:25-50．
［8］周继亮，张亚平，黄美华，等．蝮亚科蛇线粒体细胞色素 b基因序
列分析及其系统发．动物学报，2001，47(4) :361-366．
［9］刘运强，廖顺尧，鲁成，等．动物线粒体编码序列相邻碱基组成对
核甘酸替换的影响．西南农业大学学报，2001，23(3) :270-272．
［10］陈岩，黄英，朱水芳．应用分子生物学方法检测红火蚁． 植物检
疫，2009，23(6) :18-20
［11］Marrone F，Lo Brutto S，Arculeo M． Molecular evidence for the pres-
ence of cryptic evolutionary lineages in the freshwater copepod ge-
nus Hemidiaptomus G． O． Sars，1903(Calanoida，Diaptomidae)．
Hydrobiologia，2010，644(1) :115-125．
［12］Zhang YY，Xuan WJ，Zhao J，et al． The complete mitochondrial ge-
nome of the cockroach Eupolyphaga sinensis(Blattaria:Polyphagi-
dae)and the phylogenetic relationships within the Dictyoptera． Mol
Biol Rep，2010，37(7) :3509-3516．
［13］李继变，任竹梅．角倍蚜 mtDNA Cyt b 基因遗传多样性分析．复
旦学报:自然科学版，2009，48(5) :680-686．
［14］姚艳萍，郑哲民，王乃馨，等．基于形态特征和部分基因序列的
中国蚱科四个种的分类订正．昆虫学报，2008，51(8) :855-860．
［15］张大治，戴金霞，郑哲民．基于细胞色素 b 基因序列对蜻科部分
种类系统进化研究(蜻蜓目:差翅亚目)． 四川动物，2006，25
(4) :695-699．
［16］Huo GM，Jiang GF，Sun ZL，et al． Phylogenetic reconstruction of the
family Acrypteridae(Orthoptera:Acridoidea)based on mitochondri-
al cytochrome B gene． Journal of Genetics and Genomics，2007，34
(4) :290-306．
［17］邓素芳．基于线粒体 cyt b基因的蟋蟀科分子系统学研究(直翅
目:蟋蟀总科) ［D］．西安:陕西师范大学，2006．
［18］方雪梅，聂晓萌，黄菲，等．叶甲科部分种类 cyt b 基因序列及系
统发育关系初探．华北农学报，2006，21(6) :1-5．
(责任编辑 李楠)
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