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DNA molecular phylogeny of the origin of the dog 【作者简介】翁屹，中国科学技术大学科技史与科技考古系副教授；葛威，厦门大学人文学院副教授；王昌隧，中国科学院科技史与科技考古系教授。 家畜的起源是农业的产生与发展的一个重要组成部分,是人类从旧石器到新石器的进化文明的一个重要标志。家畜是由野生动物驯化而来的观点已经没有异议,研究家畜的起源就是研究人类驯化家畜的历程。因此研究家畜起源对于了解家畜发展史、揭示人类生活和生产方式的变革等具有十分重要的意义。家犬(Canis familiaris)通称为狗,在猪、狗、牛、马、羊五畜中狗与人接触最为亲密。狗主要有狩猎、牧羊和陪同三大功能,由于狩猎是人类进化早期最重要的生产活动,狗可以直接参与狩猎活动,因此从理论上说,狗可能是人类驯化最早的家畜。多年来考古学家一直在努力探索家犬起源的时间、地点以及现代狗与狼的种间和种内的差异性,本文分析了用DNA分子系统发育方法研究家犬起源的结果和进展。 1、家犬物种的生物学特点 狗在生物分类学上属于哺乳纲、食肉目、犬科、犬属、犬种。由于人工长期的培养和驯化,现在全世界狗的品系很多。狗作为一个物种的显著特点是种间在形态和体重方面的差异之大超过了任何物种,其重量从仅有1公斤的吉娃娃到体重可达近百公斤的中国的藏獒、瑞士的德圣伯纳犬或日本的土佐犬;其高度从短腿的迷你腊肠犬不到20厘米到长腿的爱尔兰猎狼犬站时高度可达120厘米。不同品系的狗在形态和体重方面所存在的巨大差异可能主要是由于长期人工驯化的结果,但它们之间的基因差异尚不清楚。 狗的嗅觉和视觉非常灵敏,善于发现猎物;犬齿大而发达,善于撕咬;四肢强健,特别是后腿具有极强的爆发力和耐力,善于奔跑捕捉猎物。由于狗无论是外形,还是在生理特征和生活习性等方面都与狼(Canis lupus)十分相似,因此狗是由狼化而来的观点已经成为共识。还有一个令人关注的现象,细胞学研究表明犬科动物的染色体均为78对。 2、传统的化石研究方法 研究家犬起源的传统方法是通过考古发掘史前人类遗址和墓葬来寻找狗的骨骼化石,再用同位素测定化石的年代,并加以遗址的文化特征进行鉴别,进而推测狗起源的时间和地点。迄今为止,曾报道在德国发现1万4千年前的狗下颌骨化石;在以色列一座l万2千年前的一位妇女墓葬中发现有一只幼年狗的骨骼化石。我国目前发现最早的狗的骨骼化石在河南舞阳贾湖遗址,距今大约8600年。 通过发掘化石研究家犬起源的方法存在二个困难,一是化石的发现具有很大的偶然性,难以找到各地区最早狗的化石;二是缺乏狗与狼骨骼差异的标准,尤其是难以辨别处于驯化早期的狗的骨骼,往往只能通过该化石与人类活动的相关程度来判断。因此仅仅依靠传统考古学发掘研究化石的方法很难确定狗起源的准确时间和地点。 3、分子系统发育研究方法 近二十年来随着分子生物学的迅速发展,分子生物学技术已经广泛用于考古学研究,开辟了从基因水平上通过分子系统发育分析的方法研究家犬起源的新途径。众所周知,任何生物的遗传物质都是脱氧核糖核酸,即DNA,这表明生物来源于共同的祖先。各个生物物种在一代代的遗传中,子代DNA既保留了父代DNA的基本特征又会发生一定的变异。生物的这种遗传特性使得任何生物个体的DNA序列都直接反映出其祖先遗传物质的痕迹,同时又表现出不同生物物种在种间和种内DNA序列的差异,因此物种亲缘关系的远近与它们的DNA序列的差异成正相关。同时,由于DNA序列的差异是可以量化的,这就可以反映出各种生物物种的亲缘关系和遗传进化的程度。所谓“分子钟”就是表达了物种DNA或氨基酸序列差异与进化时间的函数关系,可反映物种进化的速率。因此将不同物种某一特定DNA序列进行检测比对,获得不同物种种间和种内该DNA序列的差异的信息,进而通过聚类分析进行分子系统发育研究,则可以鉴别出这些物种进化的亲缘关系。 哺乳动物的DNA有数十亿个碱基对,选择合适的DNA序列进行比对和分析十分重要。在家畜起源研究中,一般都选择线粒体DNA作为靶DNA进行比较。因为与核基因组相比线粒体基因组有如下特点,一是线粒体DNA具母系单倍体遗传特性,因为来源于父系的mtDNA在受精过程中会被破坏掉,所以后代的mtDNA只能来源于母系。mtDNA在由亲代向子代传递的过程中不涉及DNA的重组,mtDNA的变异仅仅是由于发生随机突变,这使得mtDNA的有效群体仅有核DNA的1/4，因此根据mtDNA序列构建的系统发育树可以很好地反映母系进化的历史。二是细胞中含有多个线粒体,每个线粒体内含多个拷贝的线粒体基因组DNA,线粒体DNA属核外遗传物质,为双链闭合环状分子,分子量小、结构简单,容易分析。狗mtDNA全部序列由16,728bp构成的,几乎不含有内含子,除与DNA复制起始有关的高变控制区D-环外,共有2种rRNA基因,22种不同的rRNA基因和13种蛋白质的编码序列(包括细胞氧化呼吸链中的重要电子载体细胞色素b和细胞色素c基因)。三是线粒体DNA进化速率高,这可能是由于线粒体中缺乏限制性修饰酶所致。mtDNA比核DNA的突变率高5-10倍,而其中长1,122bP的D-环控制区(又称高变区)是mtDNA基因组中进化速率最高的区域,适合用于研究受人工培养影响较大的家犬的进化。此外,也有用基因组卫星DNA作为标记分析家犬的系统发育。 4、家犬起源于狼的分子生物学证据 细胞色素b基因存在于大多数脊椎动物线粒体DNA中,包括哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类和鱼类等。上个世纪九十年代中期,Gottelli和Ledje分别检测并分析狗和狼等犬科动物的细胞色素b基因的DNA序列,结果显示狗与狼的DNA序列有高度同源性,其中狗与灰狼序列变异率仅为1.8%和0.4%,而狗与北美小狼(coyoles)和埃塞俄比亚狼的序列变异率达到4%。陈永久等分析比较了赤狐、蓝狐、貉、狼以及狗、西门豺和非洲野犬等5属7种犬科动物的线粒体细胞色素b372bpDNA片断序列,发现有113核苷酸位点存在差异,犬科动物内的该DNA序列的差异率达到近30%,其中狗与狼的变异率为4%,远小于狗与狐、貉、豺等犬科动物的差异。作者构建的分子系统发育树表明在犬科动物中狗与狼的亲缘关系最近(见图l)。 Vila等检测了狗与狼的mtDNA高变区26lbp序列,发现狗与狼的DNA序列最大差异率不到5%,一种在世界各地广泛分布的狗的单倍体型与来源于俄罗斯和罗马尼亚的灰狼的单倍体型竟然完全一致;而狗与北美小狼、豺的该DNA序列差异率达到8%以上。10个微卫星DNA位点研究分析结果也表明家犬与灰狼的差异最小,而与赤狼、金豺和北美小狼的差异较大。对狗和狼的mtDNA高变区不同片断所作的系统发育研究的聚类分析结果均显示有不少品系的狗与狼的单倍体型聚在同一类(见图2)。   上述对犬科动物的DNA序列分析和分子系统发育研究表明狗与狼的DNA序列的同源性最高,相当多品系的狗与狼存在聚类交叉,充分说明在犬科动物中狗与狼的亲缘关系最近,从而进一步证实家犬起源于狼的观点。至于各实验室所测出的狗与狼的DNA序列差异率不同,可能是由于所测的DNA片断不同和所用的狗和狼的品系不同所致。 5、家犬mtDNA的多态性 mtDNA研究不仅证实狗与狼在基因水平上亲缘关系十分密切,也揭示了现代狗mtDNA具有广泛的多态性,而且与狼的遗传关系十分复杂。 Vila等系统地检测了来源于欧洲、亚洲和北美洲等世界各地67个品系的140只狗和27个地区的162只狼的mtDNA控制区(HVR-l)261bpDNA序列,发现这些狗有26种单倍体型,序列差异率为%5.50+0.17;狼有27种单倍体型,差异率为5.31+0.11;而这些狗与狼的DNA序列差异最大不超过12个核苷酸(见图3),差异率不到5%。因此就该DNA序列而言,狗和狼的种内差异率甚至超过了种间差异率。图3表明大多数品系狗的单倍体型聚为狗所特有的一类(第I类),而其余的狗则与狼具有相似的单倍体型,聚类为第Ⅱ、Ⅲ、VI类。其他实验室对狗和狼的不同mtDNA序列聚类分析的结果相似。verginelli等报道距今为15000一3000年的史前遗址的5个狗骨骼样品的mtDNA高变I区的单倍体型均各不相同。  上述狗的mtDAN检测和分子系统发育研究结果表明,现代狗mtDNA的多态性表现为二个方面,一是种内DNA序列存在很大差异,其基因具有明显的多样性;二是不同品系的狗与狼的亲缘关系的程度不同。造成这种状况的原因可能也有二个,一是说明现代狗起源于多个地区的狼群,带人了原不同狼群之间的DNA序列差异;二是提示狗在长期驯化和进化过程中可能仍然与狼保持一定频率的杂交,始终存在基因交流。这与犬科动物的染色体数目相同、可在内部杂交产生可育后代有关。当然不同品系的狗能否与狼发生杂交以及杂交的频率则取决于狗的生理习性和形态特征等因素。既然狗与狼始终存在杂交,因此有人对狗是否是一个独立的物种提出疑义。另外,现代狗在形态和体重方面所存在巨大差异与其基因的差异尚未见显著的相关性。 6、家犬起源的地点 鉴于狗很可能是随着人类的活动在多处地区开始被驯化的,同时狗随着人类的迁徙而遍布世界各个角落,具有很大的流动性,因此要阐明狗起源的地点是十分困难的。迄今为止,在欧洲、亚洲和美洲多处都发现了旧石器和新石器时期的狗化石,尚不清楚这些不同地点发现的狗之间的进化关系,同时也不能排除在其它地区发现更早狗化石的可能性。 Savolainen等报道,将欧洲、亚洲、非洲和北美洲的654只狗根据rntDNA582bp序列的单倍体型可聚类分为6大类,95.9%的狗属于A、B、C三大类,分布在世界各大洲;另外D、E、F三大类型只有27只狗,而且仅出现在土耳其、西班牙,日本、韩国和西伯利亚地区。各地区家犬A、B、C三大类单倍体型数量的比较见表1。其中,东西狗255只,共有单倍体型58种,本地特有的单倍体型38种;非洲狗35只,共有单倍体型15种,本洲特有的单倍体型5种;欧洲狗188只,共有单倍体型22种,本地特有的单倍体型10种;西南亚狗88只,共有单倍体型22种,本地特有的单倍体型15种;西伯利亚狗23只,共有单倍体型12种,本地特有的单倍体型2种;印度狗13只,共有单倍体型6种,无本地特有单倍体型。作者计算出在A类群中,东亚狗的遗传变异值达3.39,高于西南亚的2.28和欧洲的2.97,并认为东亚地区的狗基因类型最丰富;另外根据东亚的灰狼体形较小,更容易驯化的判断,因而提出狗的驯化最早可能是在东亚发生的,然后这些狗随着人类的迁徙到达各个大陆。 但对这个结论存在争议,主要反对意见认为该实验没有测试足够多的欧洲和中东的狗样本,因而不能断言欧洲和中东狗的基因类型较少。笔者也认为该实验所采集的各地区家犬的样本数差异较大,因而不能仅仅比较各地区家犬的单倍体型数的绝对值,建议对该实验的数据可以用各地区家犬单倍体型数和本地区特有单倍体型数占本地区样本数的比值进行比较。表l显示了该实验中不同地区A、B、C三类狗的单倍体型数相应比值,其中亚洲狗共有单倍体型58种,为本地255只狗的22.7%;东亚狗特有的单倍体型38种,为本地255只狗的14.9%。而非洲狗共有单倍体型15种,为本地35只狗的45.7%,非洲特有的单倍体型5种,为本地35只狗的14.3%。西伯利亚狗共有单倍体型12种,为本地区23只狗的52.2%。在这两组数据中,东亚家犬的单倍体型数和特有的单倍体型数量所占的比值都不是最大的,因此从该实验的这些数据中尚难以得出家犬起源地的结论。  随着DNA检测技术的不断提高,人们可以检测出动物化石的古DNA序列。verginelli等检测出距今为15000一3000年的意大利出土的史前遗址的5个狗骨骼样品的mtDNA高变I区262bp,与现代547只纯种狗和34l只狼的mtDNA进行聚类分析,结果分别聚类在现代狗的单倍体型三个大类中。其中三只古代狗则与现代一些品种狗的单倍体型基本一致,因此作者认为东欧也是家犬的重要起源地。 LeonardJA等提取了来自墨西哥、秘鲁及玻利维亚考古现场距今为3000一800年的37只狗遗骸样本,测出其中13只狗的mtDNA425bp序列,结果有12种单倍体型,差异率为0.2-3.1%。进一步将这些狗与现代狗的mtDNA序列作聚类分析比较,发现与现代欧洲狗的单倍体型相似,聚合在一起,而与美洲本地狼差距较大。因此作者认为人类在1.5万至3.0万年前穿越白令海峡进人美洲时一定是带着狗同行的,美洲现代的狗可能是来自欧亚,而不是由当地狼驯化来的。 认为墨西哥无毛犬是研究当地家犬起源和进化的较理想材料,因为目前墨西哥无毛犬是仅存于墨西哥和美国的一个较纯的品种。当西班牙殖民者在16世纪将外地狗带到了墨西哥的时候,当地部落出于宗教的原因曾将墨西哥无毛犬藏在山中,以保护该狗种系的纯洁性。墨西哥无毛犬外形与中国冠狗相似,由于无毛对温度和紫外线敏感,难以在野外独立生存,故在野外杂交的可能性很小。Vila等检测了19只墨西哥无毛犬的mtDNA控制区I的261bp序列,并与来源于世界各地的众多品系的狗和狼的相应mtDNA序列进行分析比较。结果发现19只墨西哥无毛犬具有7种单倍体型,在聚类的四大类中的三大类都含有墨西哥无毛犬;而墨西哥无毛犬与北美小狼以及中国冠狗均未见明显分子发育相关性。这一结果说明墨西哥无毛犬并不是起源于本地的北美小狼或中国冠狗,而与亚洲和欧洲的狗具有广泛的基因同源性。作者认为,当500年前殖民者来到美洲时,可能消灭了大部分土生美洲狗。 上述研究表明,家犬的起源与人类的进化和迁徙紧密相关,狗首先由亚洲和欧洲的狼驯化而来的可能性较大。 7、狗起源的时间 人类的发展是在新石器时代进人农业时期,从野生植物采集发展到农作物种植,从狩猎发展到家畜饲养的,这种生产方式的发展显然要经过一个相当长的时间。家畜起源的时间应该从驯养开始起算。虽然目前发现的最早的狗化石距今大约为1万4千年,但未必是最早的狗。在距今40万年前的更新世人类遗址已经发现了狼的骨骼,这表明古人此时与狼已经有较多的接触,甚至也可能是处于驯化早期的狼。狩猎是人类在旧石器时代的一项重要的生产活动,可以想象,狼在早期的人类狩猎活动中可能偶然参与而享受一些利益,人类则可能逐渐从无意识到有意识地开始驯化狼,直到驯化成为可以直接帮助人类参与狩猎活动的家犬。这种驯化的时间可能相当长,也许有几万年甚至更长时间。驯养动物就是按照人类的意愿和需求调教野生动物的习性,被驯养的动物在改变生理习性的同时,其体态外型和生理结构也必然在一代代地逐渐发生变化。如果能够找到狼在被驯化成为狗的过程中的中间类型的骨骼则是判断家犬起源时间的最好的证据。 Vila等测定了来源于世界各地67个品系的140只狗和27品系的162只狼的mtDNA控制区261bpDNA序列后,并将它们聚类为四大类,第一类全部为狗,未见与狼有交叉,计算出该大类狗DNA序列变异值为0.010。鉴于狼与北美小狼DNA序列的变异值为0.075+0.002),而化石证据表明狼与北美小狼的分歧时间大约在一百万年前,以此为参照,Vila等认为狗与狼的分歧时间应该在135000年以前,即使排除DNA序列替换的不确定性,认为狗的驯化至少也在10万年之前。Savolainen等人检测分析了世界各地654只狗的线粒体DNA582bp序列,计算出该分子核苷酸的进化速率大约为每百万年7.1%,由此推算出家犬的驯养可能发生在15000年前。由于上述实验室用于比对的DNA序列和计算的方法有所不同,故得到的时间数据相差较大。总之,家犬起源时间的确定尚有待传统考古学和分子生物学从不同角度的深人研究,以期提供更充分的证据。 编辑说明：文章来源于《农业考古》2007年第1期。篇幅所限，注释从略。原文和图片版权归作者和原单位所有。 编 辑：高 朋 吴 鹏 贾淑凤 编辑助理：胡煦晖 彭 波 |
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