研究背景
蜚蠊目昆虫包含蜚蠊和白蚁。白蚁与蜚蠊中隐尾蠊在取食习性、若虫形态以及内共生菌等方面有诸多相似之处,Lo et al. (2000) 首次利用分子数据揭示了白蚁是从食木蜚蠊进化而来,随后探究白蚁与蜚蠊关系的多项基于分子数据 (Lo et al., 2006; Terry and Whiting, 2005) 和形态数据 (Klass and Meier, 2006) 的系统发育研究展开,Inward et al. (2007) 建议取消等翅目分类地位,降为白蚁超科归入到蜚蠊目中。虽然白蚁是社会性的蜚蠊,但按照习惯,仍将其称为白蚁。蜚蠊目也因此成为一个中型规模的昆虫目,世界已知有7500余种 (其中,蜚蠊4600余种,白蚁2900余种)。但实际上该目昆虫多样性应该远不止如此,因为世界上很多物种多样性很丰富的地区都没有系统地调查过蜚蠊目昆虫的物种多样性;我国也是如此,生境多样化程度高,物种丰富,却缺乏系统调查,而且蜚蠊类群的种间形态差异小,容易导致错误鉴定。白蚁归入蜚蠊目以后,该目的系统发育研究也是非常火热,虽然澄清了一些关键类群的系统发育关系,但是还有很多类群的亲缘关系依然未能澄清,需要进一步的研究。
该类群栖息地范围广、类型复杂,从温带到热带森林、草甸、荒地、溪流、盐沼、高原、沿海地带以及沙漠,也可分布到海拔高度5000多米的地方。多数蜚蠊目昆虫都是生活在地表或土壤中,林冠层也是蜚蠊主要的栖息场所,少数种类是水生的。多数该类昆虫都喜欢温暖潮湿的环境,已知蜚蠊种类的绝大多数都分布于非洲、亚洲以及美洲热带雨林,也有一些类群生活在温带地区或适应高海拔或高纬度地区冷湿地区。多数种类白天主要栖息于枯枝落叶下,取食土壤中或地表的有机质或落叶,有时也取食其他动物或昆虫的尸体;也有一些蜚蠊在树木冠层栖息、觅食。晚上成虫则在灌木叶片、草叶、树干等处栖息,寻找异性蜚蠊进行交配,若虫则隐藏在林下地面各类覆盖物之下栖息。另外,洞穴栖息 (包含在空心的木头,其他社会性昆虫的巢穴,人造洞穴,脊椎动物的洞穴,在土壤中发掘的洞穴,在木头上挖掘的洞穴) 的蜚蠊目昆虫也占有很大的比重,洞穴栖息的专化程度因种而已,有些物种发生了适应性变化 (视力或翅丧失、无昼夜节律性、温度适应范围窄或湿度耐受性低) 而被限制生活在洞穴里面生活,多样而特殊的行为习性及栖息生境,为该类群的物种多样性调查及系统发育关系研究增添了诸多困难和挑战。
采集工具和相关试剂
- 野外采集工具:
- 制作标本工具:
- 采集或保存试剂:
常用分析软件与网站
- BLAST: http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi
- MEGA7.0: https://www.megasoftware.net
- ABGD: https://bioinfo.mnhn.fr/abi/public/abgd
- Partition Finder: http://www.robertlanfear.com/partitionfinder
- BEAST: http://www.beast2.org
- R: https://www.r-project.org
- TNT: file:///Users/Shirley/che/Downloads/TNT/tnt.htm
- PAUP: http://paup.csit.fsu.edu
- MAFFT7: http://mafft.cbrc.jp/alignment/server/
- DAMBE: http://dambe.bio.uottawa.ca/DAMBE/dambe.aspx
- RaxML: https://github.com/stamatak/standard-RAxML
- MrBayes: http://nbisweden.github.io/MrBayes/download.html
- Tracer: http://beast.community/tracer
- Mesquite: http://www.mesquiteproject.org/
一、野外采集
蜚蠊标本的采集方法有很多种,在进行种类调查时需要多种方法结合使用,以避免调查的片面性,因为不同类别的蜚蠊栖镜、行为存在很大的变化。此外蜚蠊目中白蚁有品级分化的现象,因而采集白蚁时需同时采集各品级不同形态的标本。
- 白蚁的采集
白蚁生活于多种环境中,根据不同白蚁的生物学特性,在其活跃的时间和生境采集,常用工具有吸虫管、排刷、小瓷盘、镊子、收集管、多功能兵工铲、柴刀等。采集白蚁时,应尽量采集全部虫态、品级的标本,包括成虫、兵蚁、工蚁、若蚁、幼蚁、卵等,特别是繁殖蚁和兵蚁;其次,如果条件允许,白蚁蚁巢也可以一起采回。
白蚁采集应按群体进行采集并加注标签。对某个白蚁群体进行初步收集后,直接或通过镊子将白蚁标本转入以75%以上乙醇为保存液的收集管内收集,亦可根据采集目的调整保存液。此外,可用饵料诱集白蚁工蚁、兵蚁或灯光诱集有翅成虫。每个采集管内只能收集同一群体的白蚁标本,不同群体白蚁必须分装在不同的容器内,记录详细的采集记录,然后收集管加注标签,注明样品编号、采集时间、采集地点、采集人等信息。
- 蜚蠊日间采集
白天能见度高,是采集蜚蠊非常重要的一个时间段,既可以调查昼出活动的蜚蠊,也可以寻找夜行性蜚蠊,以此了解其主要的栖息环境。对于昼出性蜚蠊可以采用观察法,再利用捕虫网进行网捕;也可以直接用网在杂草或者灌木等植物上进行扫网;也可以在溪流边查看,有些光蠊亚科Epilamprinae的种类生活在水边的石块下,受到惊扰时若虫会潜入水底躲避。利用工具剖开木头是采集木栖性蜚蠊的重要方法,如果确定木头里面有蜚蠊,但木头太硬不好剖开,可以采用把木头立起来,孔朝下,用力连续敲击木头,蜚蠊会从木头中掉落。对于隐藏在落叶下的蜚蠊,可以慢慢地掀开落叶查看,发现隐藏地后用广口瓶扣住,蜚蠊会受惊爬入瓶子。在林边或树根周围遇到质地松软的土壤,可以慢慢拨开,里面有可能栖息着蜚蠊。倒伏的枯木,以及树木的老树皮下都是蜚蠊栖身的地方。在南方地区采集蜚蠊,还有一类体型较小的蜚蠊--螱蠊,寄居在白蚁巢中,需仔细查看。林冠是蜚蠊栖息的重要场所,可以采用局部喷雾法,在林下采用白纱布做成的工具收集从树上掉下来的虫子。

图1. 白天用捕虫网寻找躲藏的蜚蠊 (王宗庆摄)
- 蜚蠊夜间采集
很多蜚蠊种类夜间出来活动的,在林下树干或者灌木和杂草的叶片上会有各种蜚蠊的成虫趴在叶片上取食、求偶或者交配。采集者需要配备头灯或者强光手电筒,配合使用捕虫网扫网,就会收获大量的蜚蠊标本。此时也是获取生态照片的好时机,拍摄生态照片需要性能优良的单反相机及镜头并配合能自如调节角度的闪光灯。在 蜚蠊发生高峰时段 (21点—23点),使用黑光灯诱集也是很高效的一种采集方式。完成夜间搜索之后,可以在蜚蠊资源较为丰富的采集地使用诱集罐进行诱集,将诱集罐埋入土中,使诱集罐口与地面齐平,倒入小半罐丙二醇 (Propylene glycol);也可以采用食物代替丙二醇,但食物要装在网袋里并固定网袋;另外也可以使用马氏网诱集。

图2. 夜晚用头灯搜寻蜚蠊 (罗新星摄)
二、蜚蠊标本的制作
蜚蠊或是白蚁标本通常制作成乙醇浸渍标本。
- 针插标本的制作
过去曾有研究者依据直翅类针插标本的制作方法,将昆虫针插在蜚蠊的前胸背板中央或稍偏离中线,但是在实践中,这种做法存在较多问题,一是制作的标本不平衡, 标本干燥以后,稍有震动,标本容易从颈部断开,从而导致标本身体和头部匹配也成问题;而是在制作时容易将头部损坏或损毁。比较适合的做法应该是将昆虫针从中胸背板中间插入直穿腹部而出,再用三级台固定采集标签的高度。如果解剖了雄性外生殖器进行鉴定,则可将雄性外生殖器保存在装有甘油的小型离心管中并插在标本之下;或者将雄性外生殖器标本统一保存在一个小盒中,并对它们进行编号,将编号插在对应的标本下。
- 浸渍标本的制作
为了较好地保存用于分子生物学研究的标本,一般将蜚蠊标本保存在无水乙醇中,置于低温长期保存。但该首先对标本进行前期处理,取适量酒精对采集的标本进行脱水处理,一天后更换酒精继续脱水1 d,然后分装到小型采集瓶;同时制作两份采集标签,1份放入瓶中,另一份用透明胶带固定在瓶身上。浸渍标本定期检查补充乙醇保存液。
为了获取转录组数据,少量的标本要保存在RNA组织保存试剂 (RNAlater) 中,但整体保存效果不是很好,可以用洁净的剪刀将标本的头、胸、腹等剪成小段存在小管中。
三、蜚蠊目昆虫的分析方法
蜚蠊目分为三个总科: 蜚蠊总科、硕蠊总科、地鳖总科, 蜚蠊总科包含6个科 (蜚蠊科、褶翅蠊科、隐尾蠊科、工蠊科、辉蠊科、白蚁科),硕蠊总科包含2个科 (硕蠊科、姬蠊科),地鳖总科包含2个科 (地鳖科、螱蠊科)。目前已知辉蠊科仅分布于南美洲,工蠊科仅分布于澳洲及其周边地区,其余8个科在我国均有分布。
各科的主要特征如下:
- 种类鉴定
- 系统发育分析
- 分化时间分析
分化时间是当前宏观进化分析的一个热点,以某一特定类群的化石记录作为参照点,通过基因序列间的分歧程度以及分子钟来估计速率恒定分支间的分歧时间,同时计算系统发育树上其他节点的发生时间,从而推断相关类群的起源时间和不同类群的发生时间。蜚蠊目当中的分化时间研究比较有限,并且这些研究都是以整个网翅总目、蜚蠊目或者 (白蚁 + 隐尾蠊) 为主要研究对象。就目前的研究结论来看,网翅总目与其姐妹群的分化时间是在300-370 Ma (百万年);蜚蠊目与螳螂目的分化时间是在204-290 Ma;隐尾蠊和白蚁的分化时间是在145 Ma左右。
分化时间可以使用r8s,Beast,mcmctree等软件来进行分析,下面以BEAST v.1.10.4 (Suchard et al., 2018) 为例介绍具体的研究方法。在这些操作步骤和各种参数的设置中,化石标记的选取和设置是其中的难点。利用化石标记作为参照来校准各类群的分化时间,一旦化石选取有问题会直接影响最后的结果,因而这一步很关键。选取化石需要参考大量的相关文献,并且可能还需要多次在软件中设置尝试,才能得到比较好的化石选取的方案。目前在蜚蠊分化时间分析中,可以参考Bourguignon et al. (2018),Che et al. (2019) 与 Evangelista et al. (2019) 所选取的化石标记。
致谢
西南大学植物保护学院蜚蠊物种多样性与进化实验室历届研究生为蜚蠊系统学研究的发展做出了重要贡献;悉尼大学Nathan LO及Simon HO团队在研究上给予了诸多帮助。
参考文献
- 柏奇坤. (2017). 隐尾蠊分子进化与生物地理学. 硕士学位论文. 西南大学.
- 邓文波. (2020). 褶翅蠊科物种界定与蜚蠊总科分子系统发育研究. 硕士学位论文. 西南大学.
- 李欣然. (2016). 蜚蠊脉相的阐释以及中国甲蠊亚科和球蠊亚科的分类. 硕士学位论文. 西南大学.
- 邱鹭. (2017). 中国地鳖蠊科分类研究 (蜚蠊目:地鳖蠊总科). 硕士学位论文. 西南大学.
- 王晨晨. (2016). 中国蜚蠊科分类研究. 硕士学位论文. 西南大学.
- 喻敏. (2014). 中国土白蚁属常见种的形态和分子鉴定. 硕士学位论文. 江西农业大 学.
- 郑玉红. (2015). 中国姬蠊科属种的厘定及再描述. 硕士学位论文. 西南大学.
- Bourguignon, T., Tang, Q., Ho, S. Y. W., Juna, F., Wang, Z. Q., Arab, D. A., Cameron, S. L., Walker, J., Rentz, D., Evans, T. A. and Lo, N. (2018). Transoceanic dispersal and plate tectonics shaped global cockroach distributions: evidence from mitochondrial phylogenomics. Mol Biol Evol 35: 1-4.
- Che, Y. L., Bai, Q. K., Deng, W. B., Liao, S. R., He, J. J., Ho, S. Y. W. and Wang, Z. Q. (2019). Uplift-driven diversification revealed by the historical biogeography of the cockroach Cryptocercus Scudder (Blattodea: Cryptocercidae) in eastern Asia. Syst Entomol 45(1): 60-72.
- Drummond, A. J., Ho, S. Y. W., Phillips, M. J., Rambaut, A. and Penny, D. (2006). Relaxed phylogenetics and dating with confidence. PLoS Biol 4(5): e88-710.
- Evangelista, D. A., Wipfler, B., Bethoux, O., Donath, A., Fujita, M., Kohli, M. K., Legendre, F., Liu, S. L., Machida, R., Misof, B., Peters, R. S., Podsiadloeski, L., Rust, J., Schuette, K., Tollenaar, W., Ware, J. L., Wappler, T., Zhou, X., Meusemann, K. and Simon, S. (2019). An integrative phylogenomic approach illuminates the evolutionary history of cockroaches and termites (Blattodea). Proc. R. Soc. B 286, 20182076.
- Inward, D., Beccaloni, G. and Eggleton, P. (2007). Death of an order: a comprehensive molecular phylogenetic study confirms that termites are eusocial cockroaches. Biol Lett 3: 331-335.
- Kimura, M. (1980). A simple method for estimating evolutionary rates of base substitutions through comparative studies of nucleotide sequences. J Mol Evol 16: 111-120.
- Klass, K. D. and Meier, R. (2006). A phylogenetic analysis of Dictyoptera based on morphological characters. Entomologische Abhandlungen 63: 3-50.
- Kumar, S., Stecher, G. and Tamura, K. (2016). MEGA7: molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets. Mol Biol Evol 33: 1870-1874.
- Lanfear, R., Calcott, B., Ho, S. Y. and Guindon, S. (2012). Partitionfinder: combined selection of partitioning schemes and substitution models for phylogenetic analyses. Mol Biol Evol 29: 1695-1701.
- Lo, N., Luykx, P., Santoni, R., Beninati, T., Bandi, C., Casiraghi, M., Wen-hua, L., Zakharov, E. V. and Nalepa, C. A. (2006). Molecular phylogeny of Cryptocercus wood-roaches based on mitochondtial COII and 16S sequences, and chromosome numbers in Palearctic representatives. Zool Sci 23: 393-398.
- Lo, N., Tokuda, G., Watanabe, H., Rose, H., Slaytor, M., Maekawa, K., Bandi, C. and Noda, H. (2000). Evidence from multiple gene sequences indicates that ternites evolved from wood-feeding cockroaches. Curr Biol 10: 801-804.
- Pons, J., Barraclough, T. G., Gomezzurita, J., Cardoso, A., Duran, D. P., Hazell, S., Kamoun, S., Sumlin, W. D. and Vogler, A. P. (2006). Sequence-based species delimitation for the DNA taxonomy of undescribed insects. Syst Biol 55: 595-609.
- Puillandre, N., Lambert, A., Brouillet, S. and Achaz, G. (2012). ABGD, automatic barcode gap discovery for primary species delimitation. Mole Ecol 21: 1864-1877.
- Rambaut, A. and Drummond, A. J. (2007). Tracer, version 1.6. Last accessed on Febreary 2020. Available from: http://tree.bio.ed.acuk/software/tracer/.
- Ronquist, F., Teslenko, M., Van der Mark, P., Ayres, D. L., Darling, A.Höhna, S., Larget, B., Liu, L., Suchard, M. A. and Huelsenbeck, J. P. (2012). MrBayes 3.2: efficient Bayesian pgylogenetic inference and model choice across a large model space. Syst Biol 61(3): 539-542.
- Stamatakis, A., Hoover, P. and Rougemont, J. (2008). A rapid bootstrap algorithm for the RAxML web servers. Syst Biol 57: 758-771.
- Suchard, M. A., Lemey, P., Baele, G., Ayres, D. L., Drummond, A. J. and Rambaut, A. (2018). Bayesian phylogenetic and phylodynamic data integration using BEAST 1.10. Virus Evol 4(1): vey016.
- Team, R. C. (2013). R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria.
- Terry, M. and Whiting, M. (2005). Mantophasmatodea and phylogeny of the lower neopterous insects. Cladistics 21: 240-257.
- Xia, X. and Xie, Z. (2001). DAMBE: software package for data analysis in molecular biology and evolution. J Hered 92(4): 371-373.
- Xia, X., Xie, Z., Salemi, M., Chen, L. and Wang, L. (2003). An index of substitution saturation and its application. Mol Phylogenet Evol 26: 1-7.
- Xia, X. and Lemey, P. (2009). Assessing substitution saturation with DAMBE. The Phylogenetic Handbook 615-630.