基于线粒体基因组的膜翅目茧蜂科（Hymenoptera:Braconidae）比较基因组学与系统发育研究

【摘要】线粒体基因组具有基因排列顺序保守、基因组长度短、母系遗传及进化速率快等特征,因此目前成为生物进化研究的理想材料,为系统发育提供了丰富的分子标记。随着测序技术的完善及系统发育分析方法的丰富,基于线粒体基因组的各类群系统发育分析成为热门研究。茧蜂科是一种营寄生性生活的膜翅目昆虫,在农业生产中具有重要意义。但是茧蜂科内部的系统发育关系复杂,没有统一的定论。相对于茧蜂科巨大的类群数量,已经测定的茧蜂科线粒体基因组仅有7种。因此,对茧蜂科昆虫线粒体基因组进行测序和分析,对揭示茧蜂科系统发育关系、分化时间、寄生习性进化具有重要意义。本研究对茧蜂科25个亚科21个种昆虫的线粒体基因组进行了测序、注释和分析,同时由GenBank下载7个种的茧蜂线粒体基因组序列。利用比较基因组学和生物信息学等手段分析了茧蜂科昆虫的线粒体基因组特征、茧蜂科的系统发育、寄生习性进化与茧蜂科进化分歧时间。主要研究结果如下：(1)测定了茧蜂科18个亚科21个种的线粒体基因组序列,对基因组特征进行了分析,包括：基因注释、基因组组成分析、基因间隔区与重叠区分析、基因组排列方式、密码子使用情况、tRNA二级结构等。因为膜翅目昆虫高AT含量,导致所测昆虫包含AT区及nad2在内的区域未测通。已测得的茧蜂科昆虫线粒体长度在9160bp-14216bp,AT含量73.38%-87.63%。AT含量最高的为丽下腔茧蜂Therophliusfestivus,最低的为扁体茧蜂Elasmosomasp.。茧蜂科昆虫的已知蛋白编码基因起始密码子均为ATN,其中ATT是使用频率最高的起始密码子,其次为ATG,最少的为ATC。已知的7个coxl基因的所有起始密码子均为ATC,而只有3个其它基因使用ATC作为起始密码子。主要终止密码子为TAA,但38个基因使用了不完整的TA或T作为了终止密码子,也有24个基因使用TAG作为终止密码子。虽然茧蜂科昆虫的基因间隔区和重叠区通常较短,但也存在例外。额突茧蜂Eumacrocentrussp是已测茧蜂科昆虫中基因间隔区最长的,在cox3与trnG,trnG与nad3之间分别有629bp和369bp的基因间隔区,在奇脉茧蜂Miraxsp的nad4与nad4L之间也有长达499bp的基因间隔区。除菜蛾盘绒茧蜂Cotesiavestalis外,茧蜂科昆虫的基因组重排主要集中在tRNA基因,重排的热点区域有tRNAAsp-tRNAHis-tRNALys、tRNAAla-tRNAArg-tRNAAsn-tRNASerl-tRNAGlu-tRNAPhe、tRNAThr-tRNAPro。Leu、Ile、Phe是使用频率最高的氨基酸,TTA(Leu)、ATT(Ile)、TTT(Phe)是使用频率最高的密码子。tRNA基因是二级结构为典型的三叶草状结构。(2)茧蜂科昆虫在“圆口类cyclostome”中主要的重排热点区域为tRNAAsp-tRNAHis-tRNALys,而在“非圆口类noncyclostome”中重排的热点区域更多地集中在tRNAAla-tRNAArg-tRNAAsn-tRNASerl-tRNAGlu-tRNAPhe和tRNAThr-tRNAPro。碱基组成偏向性通常用AT偏斜和GC偏斜来反映。在已测茧蜂中,绝大部分AT偏斜为负值,而GC偏斜都是正值,即A少于T,G多于C。但是三个例外,分别为刀腹茧蜂Xiphozelesp、前眼茧蜂Proteropssp和额突茧蜂Eumacrocentrussp.。通过计算茧蜂科昆虫的Pi值、核苷酸替换数量S、同义替换速率Ka与非同义替换速率的比值Ka/Ks等进化参数反映了茧蜂科基因组进化情况。除前眼茧蜂Proteropssp外,Ka/Ks比值均大于1,发现茧蜂科昆虫中进化最快的为丽下腔茧蜂T.festivus,而所有的基因中进化最快的为trnH。(3)利用线粒体全基因组序列对茧蜂科昆虫进行了系统发育分析。使用DNA序列与使用氨基酸序列分析的结果有一定差别。所有的结果均支持蚜茧蜂亚科Aphidiinae与“圆口类cyclostome”构成姐妹群关系,处于茧蜂科系统发育的基部位置。探茧蜂亚科Ichneutinae为一个并系类群。基于氨基酸序列的“长茧蜂亚科复合群”系统发育关系十分稳定,而“圆口类”和“小腹茧蜂亚科复合群”的内部关系仍未得到妥善解决。(4)目前已知最古老的“圆口类”—戈氏原皱腰茧蜂Protorhyssalusgoldmani化石时间为93mya。以此为依据我们根据本研究建成的系统发育树,推断了茧蜂科分化时间为121.07mya,“圆口类”与“非圆口类”的分化时间为98.32mya。“非圆口类”的分化时间则为92.07mya,比“圆口类”的分化时间略晚。“长茧蜂亚科复合群”和“小腹茧蜂亚科复合群”的分化时间分别为88.65和86.82mya。从分化时间角度来说,最早分化的为“长茧蜂亚科复合群”和“小腹茧蜂亚科复合群”,最后是“圆口类”。我们推断的茧蜂科分化时间比已推断茧蜂科分化时间推迟了10mya。通过对茧蜂科昆虫的寄生习性的分析,我们推断容性内寄生的起源早于抑性外寄生,并且茧蜂科在分化初期以单寄生为主,随着进化发展,多寄生才逐步出现。通过对寄生蜂以及寄主分化时间的统计,我们推断茧蜂科昆虫分化时间与其对应寄主的分化时间基本一致。
【作者】李倩；
【导师】陈学新；
【作者基本信息】浙江大学，农业昆虫与害虫防治，2014，博士
【关键词】茧蜂科；线粒体基因组；进化；分化时间；寄生习性；系统发育；基因重排；碱基组成偏向性；

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