进化关系
- 形成进化假说
- 注意：分支图（cladogram）是形成进化假说的重要工具。分支图是一种树状图表，用于描述物种之间假定的系统发育关系。图表的末端或叶节点代表特定物种，而树的分支长度各不相同，不同长度表示各物种之间的演化变化程度。所有从某一分支线起源的物种的共同祖先位于节点处，即分支相交的位置。共享一个节点的物种称为姐妹群。
- 首先，观察所提供的空白分支图，并对指定动物在树上的位置提出假说。若未提供空白分支图，请点击此处下载。
- 接下来，观察该化石动物的图像。
- 根据化石的形态学特征（即物理特征），提出其在分支图上应处位置的假说。添加一条新分支或标记，以表示你为该化石建议的位置。
- 使用 BLAST 比较基因序列
- 注意：传统上，分支图是通过形态学比较构建的。如今，也可以通过比较目标物种之间的遗传序列来构建分支图。DNA 序列通常不会在化石中保存下来，因此在本实验中，你将使用 BLAST 数据库，将与该化石密切相关物种的 DNA 序列与数千种其他现存物种的序列进行比对。
- 在开始本实验前，你的指导教师应已将三个保存的基因序列下载至你桌面的文件夹中。
- 前往 BLAST 主页（指导教师应已在你的浏览器中保持该页面打开），点击页面顶部菜单中的“Saved Strategies”（已保存策略）。
- 点击“Evolutionary_Relationships_Gene1.txt”文件旁的“Open”（打开）按钮。
- 然后点击“View”（查看）进入标准核苷酸 BLAST 搜索页面。你应该能在屏幕右上方的“Query Sequence”（查询序列）框中看到 DNA 序列。
- 滚动到屏幕底部并点击 BLAST 按钮。注意：处理和分析数据需要几分钟时间。
- 数据处理完成后，将出现一个图形摘要。注意：你的查询序列由框顶部的蓝色线条表示。蓝色线条下方的每条线代表 BLAST 数据库中与你的查询序列匹配的另一条序列。这些条形的长度和位置表示匹配发生的区域以及匹配序列的长度。条形的颜色代表其得分，即该序列与查询序列的相似程度。图形摘要下方是“Sequences producing significant alignments”（产生显著比对的序列）列表，其中包含从数据库中检索到的、与查询序列最接近匹配的 DNA 序列描述。这些序列按相似度从高到低排列，最相似的在顶部，最不相似的在底部。右侧列出了每条数据库序列与实验序列的相似程度相关统计信息。Max、Total、Query Coverage 和 Identity 得分越高，说明查询序列与检索序列之间的相似性越高。同样，E 值越低，说明序列匹配由随机机会导致的可能性越小，比对结果越具有显著性。E 值为 0 表示高度显著的匹配。
- 点击列表中最相似比对结果的描述名称。这将带你跳转到页面下方，查看该检索序列与查询序列之间的精确 DNA 序列比对。
- 点击序列 ID 编号。这将在新标签页中打开，显示该检索基因序列的更详细信息。
- 识别并记录该生物体的学名和通用名，这些信息应列在“Source”（来源）旁边。
- 识别并记录该基因编码的蛋白质，该信息应列在“Definition”（定义）旁边。
- 关闭该标签页，点击“Back”（返回）回到“产生显著比对的序列”列表。
- 然后，对接下来最相似的序列重复步骤 7 至 9。
- 在收集了多个物种名称后，返回“产生显著比对的序列”列表，点击“Select: All”（全选）以选中每个列出比对序列名称旁的复选框。
- 点击“Distance of tree results”（树结果距离）以基于所有 BLAST 结果基因序列与查询基因序列的相似性生成系统发育树（phylogram）。注意：你的查询化石相关序列将以黄色高亮显示。
- 记录你的序列在树中相对于其他分类群的位置。
- 最后，返回“Saved Strategies”（已保存策略）标签页，并上传下一个保存的基因序列。
- 按照前述方法（步骤 1–16）对剩余两个化石相关 DNA 序列进行查询。
- 数据分析
- 根据你的基因序列结果，提出第二个关于你的化石标本在原始分支图中位置的假说。
- 将此位置与你的第一个假说进行比较。
- 将你的系统发育树与同学的进行比较。如果任何同学将化石放在不同的分支上，请询问他们得出该结论的依据。
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Q1: What is a cladogram and how does it show evolutionary relationships?
A cladogram is a tree-shaped chart depicting hypothetical genealogical relationships between species. The tips represent specific species, while branch lengths indicate the degree of change between them. Nodes mark common ancestors, and species sharing a node are called sister groups. Cladograms help visualize how organisms diverged from shared ancestors over evolutionary time.
Q2: How do you use morphology to place a fossil on a cladogram?
Examine the fossil's physical characteristics, or morphology, and compare them to known species on your cladogram. Based on these structural similarities and differences, hypothesize where the fossil fits on the tree. Add a new line or mark to indicate your proposed position, then refine this placement after comparing genetic data from related living species.
Q3: What does the BLAST database show when comparing gene sequences?
BLAST displays a graphic summary where your query sequence appears as a blue line, with matching database sequences shown as colored bars below. Bar length and color indicate alignment quality and identity score. The Sequences producing significant alignments list ranks matches by similarity, with statistics like Max, Total, Query Coverage, and Identity scores showing how closely related sequences are.
Q4: What do E values tell you about gene sequence matches in BLAST results?
E values indicate the statistical significance of a sequence match. Lower E values mean the match is less likely to occur by random chance and more likely represents a true evolutionary relationship. An E value of 0 indicates a highly significant match, while higher E values suggest weaker, less reliable alignments between your query and database sequences.
Q5: How do you create a phylogram from BLAST results?
After collecting multiple species from your BLAST alignments, return to the Sequences producing significant alignments list and select all boxes. Click Distance of tree results to generate a phylogram based on sequence similarity to your query sequence. Your fossil relative sequence appears highlighted in yellow, showing its position relative to other taxon groups in the evolutionary tree.
Q6: Why compare morphology and genetic data when placing fossils on cladograms?
Morphology provides initial placement based on physical traits, but genetic sequences offer independent molecular evidence of evolutionary relationships. Comparing both approaches strengthens your hypothesis about fossil placement. If morphological and genetic placements differ, discussing these differences with classmates reveals how multiple data sources can support or challenge evolutionary hypotheses.
Q7: What information should you record from BLAST sequence alignments?
For each significant alignment, record the organism's scientific and common names listed under Source, and the protein the gene codes for under Definition. Click the Sequence ID to access detailed information. Collecting this data from multiple top matches allows you to construct an accurate phylogram and refine your hypothesis about where the fossil species belongs in the evolutionary tree.