對(duì)蝸牛Cepaea Nemo ralis多態(tài)性變異與雜合性相互關(guān)系的研究

高貴喜

（太原師范學(xué)院生物系,山西太原 030001）

對(duì)蝸牛Cepaea Nemo ralis多態(tài)性變異與雜合性相互關(guān)系的研究

高貴喜

（太原師范學(xué)院生物系,山西太原 030001）

Cepaea殼顏色與殼樣式（pattern）上的多態(tài)性一直被認(rèn)為與殼可見外型無(wú)關(guān),而是由雜合優(yōu)勢(shì)所決定.檢驗(yàn)這種說(shuō)法的一種途徑就是察看是否顯性表型的變異性要比隱性表型的變異性低.研究對(duì)兩組蝸牛殼進(jìn)行觀察,兩組樣本內(nèi)個(gè)體數(shù)分別是1 972和5 423個(gè),經(jīng)分析,隱性表型的變異性比顯性表型顯著（P＜0.05）.在同一殼中,對(duì)殼測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,表性性狀差異的證據(jù)未找到.如果變異的差異是真實(shí)的,那么將表明或者是可見的殼外型是不重要的,多態(tài)性由于雜合平衡決定的,或者是這種多態(tài)性平衡的進(jìn)化是由殼外形的自然選擇所維持的.

雜合性;表型性狀變異;多態(tài)性;相關(guān)平衡;Cepaea

0 引言

陸地蝸牛Cepaea nemoralis和C.hortensis廣泛分布于歐洲.它們生活在叢山邊裸巖、沙地與落葉樹相混合的林地到灌叢和草地的廣泛生境中,大多數(shù)蝸牛在殼的顏色和斑紋上表現(xiàn)為多態(tài)性,這種多態(tài)性由完全顯性基因控制.決定殼的顏色及斑紋有無(wú)是兩個(gè)主要的基因位點(diǎn),它們是相互緊密連鎖的,同時(shí)基因位點(diǎn)的數(shù)目可修飾斑紋的表達(dá)[1].盡管形態(tài)頻度（morph frequencies）在短距離內(nèi)有變異,但這里很難有這樣一群體,其任一形態(tài)頻度沒有在10%～90%之間.這通常視為連鎖的不平衡性.自然選擇與形態(tài)頻度的決定相關(guān)聯(lián)[2～4],但是多形態(tài)是以怎樣方式維持下來(lái)的還是不清楚.

自然選擇與可見的殼顏色和殼式樣相聯(lián)系,其證據(jù)是由于熱量不同,在顏色上導(dǎo)致形態(tài)方面的相異,但也有可能是種群保持這種多形態(tài)性是由于雜合優(yōu)勢(shì)或雜種優(yōu)勢(shì)在不可見方面起作用.這方面的探索者是Goodhart[5].他解釋道,大多數(shù)的陸地蝸牛作為一種平衡選擇的結(jié)果在遺傳上是異源性的.如果相關(guān)的基因?qū)梢姷挠绊懯怯泻Φ?這種可見的表達(dá)就會(huì)被抑制,因?yàn)樵谄渌伵Ｖ?殼的形態(tài)是整齊劃一的.如果殼的顏色和斑紋不能適應(yīng)環(huán)境,那么它們就會(huì)在平衡多態(tài)性下被淘汰.Goodhart認(rèn)為C.nemoralis和C.hortensis就屬于后者.

為了更好地了解多態(tài)性,我們應(yīng)當(dāng)找到一種方法來(lái)驗(yàn)證雜交優(yōu)勢(shì).現(xiàn)在經(jīng)常應(yīng)用的方法是通過(guò)對(duì)樣本在不同水平的表型變化上酶基因位點(diǎn)來(lái)測(cè)定一定量的多態(tài)性[6～8].這種方法的預(yù)測(cè)是較低的形態(tài)變異和降低不對(duì)稱性將會(huì)與較多的基因組雜合型相關(guān)聯(lián).在雙殼軟件動(dòng)物中大量研究用來(lái)調(diào)查這種關(guān)系.雜合個(gè)體與純合個(gè)體相比較,其表現(xiàn)出發(fā)育較快、生活的更長(zhǎng)以及更能有效地合成蛋白質(zhì)[9].當(dāng)雜合性與生長(zhǎng)速度正相關(guān)時(shí),則與此類動(dòng)物體積大小成負(fù)相關(guān)[10～11].有些研究材料支持雜合優(yōu)勢(shì),也有些解釋為超顯性.雜合性和變異之間的關(guān)聯(lián)是基因組相互作用的.

用隨機(jī)方法從多態(tài)型種群中收集蝸牛殼,通過(guò)測(cè)定個(gè)體殼的變異來(lái)比較顯性個(gè)體與隱性個(gè)體.顯性性狀組成的個(gè)體對(duì)應(yīng)的等位基因可以是雜合的也可以是純合的;而隱性組的個(gè)體相對(duì)應(yīng)的等位基因則是純合的.如果基因組雜合性與較低表型變異相關(guān)聯(lián),那么同一生活地的顯性形態(tài)殼樣本要比隱性形態(tài)殼樣本在表型變異方面要小些.測(cè)定成年蝸牛殼三維數(shù)據(jù),因?yàn)闅さ淖兓涗浟宋伵５陌l(fā)育過(guò)程中所受到任何因子的影響.Foote和Cow uie[12]對(duì)蝸牛Theba pisana進(jìn)行了三維度量,結(jié)果表明發(fā)育自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)（developmental homeostasis）在起作用.殼三維度量的遺傳率（heritability）被看做為親子回歸已有記錄,比如對(duì)于C.nemoralis其值為0.6[1].

1 材料和方法

收集的C.nemoralis樣本來(lái)自于兩方面.第一是蝸牛個(gè)體在一封閉狀態(tài)下繁殖,其目的是用來(lái)檢驗(yàn)環(huán)境對(duì)殼形態(tài)頻度和殼大小的影響[13].對(duì)此群體每年進(jìn)行監(jiān)測(cè),將成年個(gè)體加以收集,記錄表型性狀并測(cè)定殼的最大直徑（精確到0.1mm）.由于種群密度的增加,成年蝸牛的平均直徑在下降,這可能是由于蝸牛遭受到一些競(jìng)爭(zhēng)壓力的緣故.有關(guān)這方面的生態(tài)學(xué)細(xì)節(jié)Cook和Cain[12]有過(guò)討論.把粉紅色個(gè)體（粉紅色是顯性表型）的寬度和黃色個(gè)體殼的寬度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量的個(gè)體數(shù)目總共是1 792（其中黃色個(gè)體是18個(gè)）.

蝸牛第二來(lái)源于A.J.Cain大量收集的標(biāo)本,現(xiàn)存于曼徹斯特博物館.這些隨機(jī)收集的標(biāo)本是A.J.Cain和他的合作者在過(guò)去45年中為研究Cepaes的多態(tài)性而收集的.此次使用材料只選擇了由Burke[14]所收集的標(biāo)本來(lái)研究.Burke在很短時(shí)間內(nèi)從愛爾蘭特定的地區(qū)收集了大量的標(biāo)本.每個(gè)標(biāo)本確定它的顏色（黃色或非黃色）、斑紋（有或無(wú)斑紋,無(wú)斑紋為顯性）測(cè)量每一個(gè)殼的最大寬、高度和殼口的寬度（精確到0.1 mm）,共測(cè)量了5 423個(gè)體.

對(duì)愛爾蘭蝸牛來(lái)說(shuō),殼斑紋的平均頻率是0.740±0.241.黃色殼平均頻率是0.403±0.285.根據(jù) Hardy-Weinberg公式,利用這些形態(tài)頻率數(shù)據(jù)可以計(jì)算出基因型頻率,我們可以計(jì)算在兩基因位點(diǎn)上顯性性狀的雜和體平均頻率.對(duì)斑紋基因位點(diǎn),其值是0.905±0.110;對(duì)顏色基因位點(diǎn),其值是0.774±0.150.每種性狀,顯性具有較高的雜合頻率.

表型形狀之間進(jìn)行了兩類型比較,一類是顯、隱性性狀的總變異（overall variability）如果遺傳性雜合體確實(shí)在控制成年蝸牛殼的大小、式樣起主要作用,那么顯性性狀的變異性要比隱性性狀變異性低;第二類是相關(guān)性,如果差異沒有不同,某一地點(diǎn)的蝸牛在度量上就會(huì)有較大相關(guān)性,即某地點(diǎn)蝸牛較其他地點(diǎn)的蝸牛在形態(tài)上更一致.

在比較表性性狀的變異時(shí),我們使用了封閉環(huán)境的蝸牛殼寬度方差和愛爾蘭蝸牛殼三維測(cè)量總方差.這樣做的目的是比較殼的形態(tài)由顯性性狀控制與隱性性狀控制的差異.比較是在封閉蝸牛中淡紅色與黃色之間進(jìn)行,愛爾蘭蝸牛的比較是在黃色與非黃色、具斑紋與不具斑紋之間進(jìn)行.對(duì)單個(gè)樣本,檢驗(yàn)方法是F檢驗(yàn),因?yàn)闃颖臼请S機(jī)的,故樣本中的個(gè)體數(shù)目也是不確定的,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一樣本中的個(gè)體數(shù)目比另一樣本的個(gè)體數(shù)目少得多.為了盡可能多地比較樣本,我們對(duì)樣本個(gè)體數(shù)目限定在大于和等于5,顯然,小樣本的偶然性影響是極有可能發(fā)生的.

F檢驗(yàn)通常是有尾檢驗(yàn),即組間方差與組內(nèi)方差所除.對(duì)于我們的研究,一尾檢驗(yàn)是有意義的,因?yàn)殡x差方向被確定了.但是當(dāng)單個(gè)檢驗(yàn)結(jié)果組合起來(lái),我們就應(yīng)該確定離差方向了.為了做好上述及考慮到樣本大小之差異,我們按下列步驟做一些處理:

1）對(duì)每一樣本,較大方差被較小方差所除,同時(shí)差異方向做了記錄.

2）F值或然率被計(jì)算,其方法是在觀察自由度下,用數(shù)值積分法對(duì)F分布的對(duì)應(yīng)段加以積分[15].

3）等值正態(tài)偏差由或然率代替,計(jì)算方法同第二項(xiàng).

4）如果隱性性狀方差比顯性的小,則方差為負(fù);反之為正.

5）把偏差值相加,再用偏差數(shù)目的平方根來(lái)除,這樣得到單一正態(tài)偏差,次數(shù)值可以度量所有數(shù)據(jù)在特定方向上從整合到分散的方差比率.

為了驗(yàn)證相關(guān)性,我們計(jì)算了愛爾蘭蝸牛3個(gè)測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)r的平均值.顯性性狀應(yīng)該具有較小的變異性.為了檢驗(yàn)這點(diǎn),將r值轉(zhuǎn)化為 Hotelling的Z＊值,次值實(shí)際上是方差的1/（n-1）,這里代表組內(nèi)的個(gè)體數(shù)目[16,17].在同一樣本內(nèi),兩性狀（顯性、隱性）平均值用t檢驗(yàn)比較.將t值轉(zhuǎn)化為正態(tài)離差來(lái)檢驗(yàn)趨向性,這樣可度量一種性狀比另一種性狀具有更大變異能力的趨向（表1）.

表1 封閉之下Cepaea nimora lis兩種殼顏色殼寬度的F值Table 1 Shell breadth in two colour classesof Cepaea nimoralis Cepaea nimoralis,enclosure samples

2 結(jié)果

將封閉蝸牛群體資料分析結(jié)果列于表1中,如果黃色個(gè)體的方差比粉色個(gè)體的大,則F是正值,如果黃色的方差小,則F值是負(fù)的.最后一列給出了正態(tài)離散值,它相當(dāng)于在一定樣本大小下的F值.當(dāng)這些數(shù)值結(jié)合在一起,總的正態(tài)離差值是1.126,次值不顯著,同樣方法也用在了愛爾蘭蝸牛三維度量總方差上,對(duì)三種不同類型正態(tài)離差比較以及樣本數(shù)目列于表2中,如果對(duì)顏色表型比較,由81個(gè)樣本比較得正態(tài)離差是1.732（P＜0.84,二尾;0.042,一尾）.通過(guò)殼上斑紋有無(wú)而比較 59個(gè)樣本得正態(tài)離差是 1.448（P＜0.148,二尾;0.074,一尾）.由此我們可以說(shuō),最大的差異應(yīng)該通過(guò)黃色有斑紋的純合子與其他非黃色表型的比較來(lái)看到.按此,我們對(duì)76個(gè)樣本做了比較其正態(tài)離差是1.423,非常接近斑紋和無(wú)斑紋比較的數(shù)值.如若我們按顏色將兩方面資料加以組合,所得表型離差是2.021,這個(gè)數(shù)值是顯著的（P＜0.043,二尾;0.022,一尾）,見表2所示.

表2 愛爾蘭 Cepaea nemoralis總變異的正態(tài)離差和或然率Table 2 Overall normal deviates and p robabilities for total variance of Irish Cepaea nimoralis

對(duì)全部資料,殼寬度和高度的相關(guān)系數(shù)是0.987;殼寬度與殼口寬度的相關(guān)系數(shù)是0.988;高度與殼口寬度相關(guān)系數(shù)是0.983.在具斑紋或無(wú)斑紋殼之間比較殼三維測(cè)定的相關(guān)系數(shù),53個(gè)樣本中,有18個(gè)總離差是正值,5個(gè)顯著.測(cè)定離差總趨向值是0.032,指出沒有一類性狀表現(xiàn)出更大相關(guān)性.

3 討論

Cepaea nemoralis種群在殼顏色和殼斑紋上總是多態(tài)性的.有關(guān)選擇影響形態(tài)頻率的途徑被發(fā)現(xiàn)了許多[2～4],但是多態(tài)性是如何維持下來(lái)的一直未能得到解答.一種合乎情理的解釋是由于多態(tài)性是可見的（visible）,維持它延續(xù)的選擇是可見的環(huán)境因子（p redator）,大多數(shù)是勉力頻率依賴性選擇（exerting frequencydependent selection）[18].這種觀點(diǎn)也可由類似的適應(yīng)色的事實(shí)支持,比如鱗翅目中的擬態(tài)（mimicry）[19].文章開始提到Goodhard的假設(shè)認(rèn)為可見的選擇是基因位點(diǎn)組合的平衡而雜合基因組具有更高適合性（fitness）看見多態(tài)性是總雜合系統(tǒng)一部分的可能性應(yīng)引起注意.本研究就是為了驗(yàn)證這種假設(shè).

總離差在所有情況下均是正值,這就給出一些證據(jù)說(shuō)明在殼顏色和式樣上基因的變異,隱性基因變異要比雜合和顯性純合基因要大.對(duì)顏色組合分析結(jié)果在一尾和二尾都是顯著的,當(dāng)然這種顯著性度并不是很強(qiáng).另一方面,分析指出在兩性狀之間、兩種度量之間沒有相關(guān)性.為了獲得更有力的證據(jù)來(lái)說(shuō)明這種相互關(guān)系,需要更多收集蝸牛殼.同時(shí)現(xiàn)階段研究表明,更進(jìn)一步研究這個(gè)問(wèn)題是值得的.然而,為了獲得更有力證據(jù)來(lái)說(shuō)明真正在形態(tài)上變異上的不同,就需要觀察比我們現(xiàn)在所觀察的5 000個(gè)蝸牛殼還要更多,這樣就可以研究來(lái)自不同生境的蝸牛之間的遺傳異質(zhì)性.

當(dāng)然,生物統(tǒng)計(jì)學(xué)上的巨大變異并不一定意味著殼的顏色或式樣的不適應(yīng).如果多態(tài)性一直在一地保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間,并且這種維持是在可見表型頻率依賴性選擇上[3],這或許是由連鎖基因位點(diǎn)操縱著,這種連鎖起著增加雜種優(yōu)勢(shì).Cepaea nemoralis和C.hortensis是在更新世時(shí)期冰層向北退縮時(shí)的優(yōu)勢(shì)種,它們?cè)跉さ念伾暇哂芯薮蟮亩鄳B(tài)性,與它們有相互關(guān)聯(lián)的南方種C.sylvatica和C.vindobonensis是在殼斑紋上具多態(tài)性.這是否表明足夠時(shí)間跨度使北方種發(fā)展了一超基因系統(tǒng)（supergene system）來(lái)顯示雜合子優(yōu)勢(shì)[20].

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Study of the Relation of M orphological Variation and Heterozygosity in the Snail Cepaea Nemoralis

Gao Guixi
（Department of Biology,Taiyuan Normal University,Taiyuan 030001,China）

It has been suggested that the polymo rphism for shell co lour and pattern in Cepaea may be unrelated to the visible appearance of the shells,butmaintained by heterosisor heterozygote advantage.A possible way to test this supposition is to examine whether phenotypic variance is lower in themorph exhibiting the dominant phenotype than in that with the recessive phenotype.This has been tested in two samplesof shells involving totalsof 1 792 and 5 423 individuals,respectively.Overall,there is a significantly greater variance in the recessive than the dom inant class（P＜0.05）.Correlation between measurements on the same shell was also examined.No evidence of difference between phenotypes was found.If the difference in variance is real,it may indicate either of the follow ings:1.that visible appearance is not important and the polymorphism ismaintained by a heterozygous balance;or 2.evolution of such a balance in a polymorphism maintained over a long time spanby selection acting on visible attributes of the shells.

heterozygosity;phenotypic variance;polymorphism;relational balance;cepaea

【責(zé)任編輯:王映苗】

1672-2027（2010）02-0130-04

Q 89;Q 3

A

2010-03-25

山西省留學(xué)基金資助.

高貴喜（1961-）,男,山西岢嵐人,太原師范學(xué)院生物系副教授.