隐翅虫科昆虫比较线粒体基因组学及系统发生研究

摘要

隐翅虫科Staphylinidae是鞘翅目Coleoptera物种多样性最高的一个科，现记载约61，000种。目前，隐翅虫科的研究主要集中在基于形态特征、核基因和部分线粒体基因的系统发生研究。近年来，线粒体DNA(mtDNA)因其点突变率高、母系遗传、结构简单、无内含子、结构组成保守等优势特性已广泛应用于昆虫分子系统学研究中。本研究基于线粒体基因组数据对隐翅虫科进行系统发生分析，为明确隐翅虫科的系统发生关系提供科学数据并从线粒体基因组角度去验证基于形态学特征及其他分子数据的系统发生研究结果。
　　本研究通过二代测序的方法获得了9种隐翅虫的近全长线粒体基因组序列，包括隐翅虫亚科Staphylininae代表性种类7种、简隐翅虫亚科Osoriinae1种和毒隐翅虫亚科Paederinae1种。本研究利用生物信息学及比较基因组学等方法对已测得的9种隐翅虫及GenBank中已公布的90种隐翅虫的线粒体基因组数据进行比较分析，并基于37个线粒体基因的联合序列矩阵利用最大似然法和贝叶斯法重建了隐翅虫科高阶元的系统发生关系。主要研究结果如下:
　　(1)目前获得的近全长隐翅虫线粒体基因组不具有基因缺失和基因重排现象。
　　(2)隐翅虫科线粒体基因组大多呈明显的AT偏斜和CG偏斜。
　　(3)基因重叠与特定基因有关:atp6-atp8和nad4-nad4L两对基因间出现稳定的重叠区域，即7bp的ATGATAG或ATGATAA。
　　(4)基因间隔主要分布在两个区域，tRNA-Arg与tRNA-Asn间隔区的长度主要为50～228bp;tRNA-Ser2和nad1之间的基因间隔区约为20bp，此间隔区域被认为是线粒体基因组转录过程中作为转录终止的信号位点。
　　(5)nad1和cox1基因具有较为特殊的起始密码子，分别是TTG和AAT;且部分种类的nad4、nad5、cox2和cox3基因使用不完全的终止密码子T。
　　(6)氨基酸密码子使用偏好性与核苷酸序列GC含量及第三位点GC含量存在明显的负相关性，尤其与密码子第三位点GC含量相关性极为显著。
　　(7)仅tRNA-Ser1缺少DHU臂、无法形成三叶草型结构，且RNA-Ser1的反密码子由GCT变为TCT。
　　(8)蛋白质编码基因的核苷酸替代率与GC含量呈明显的负相关。atp8基因的进化速率最快;cox1基因最为保守。
　　(9)基于核苷酸序列与氨基酸序列及密码子第一、第二位点序列构建的系统发生分析存在一定的差异，但所有的分析都不支持以下四个亚科级群的单系性:四眼隐翅虫亚科级群Omaliine Group、尖腹隐翅虫亚科级群Tachyporine Group、异形隐翅虫亚科级群Oxyteline Group和隐翅虫亚科级群Staphylinine Group。突眼隐翅虫亚科Steninae、异形隐翅虫亚科Oxytelinae和出尾蕈甲亚科Scaphidiinae被恢复为单系群，而尖腹隐翅虫亚科Tachyporinae和四眼隐翅虫亚科Omaliinae均为非单系群。这些系统发生分析结果验证了先前基于形态学特征的系统发生研究结果。基于37个基因的核苷酸序列构建的系统发生关系也支持隐翅虫亚科Staphylininae和前角隐翅虫亚科Aleocharinae的单系性，这与基于形态学特征和其他分子数据的研究结果也是一致的。氨基酸序列构建系统发生树存在差异的可能原因是:氨基酸序列过于保守，没有足够的系统发生信息解决近期分歧物种间的系统关系。基于仅包含第一和第二位点的核苷酸序列构建的系统发生树存在差异的原因是:密码子第三位点也包含研究对象的系统遗传信号，因此不应该被删除。
　　(10)毒隐翅虫亚科Paederinae与哈隐翅虫亚科Habrocerinae聚为一支，与隐翅虫亚科Staphylininae构成姐妹群，从而否定了毒隐翅虫亚科Paederinae与隐翅虫亚科Staphylininae的姐妹群关系，另外本研究中蚁甲亚科Pselaphinae为并系群，不同于部分研究结果中蚁甲亚科Pselaphinae为单系群，以上结果有待基于更多取样和分子标记数据的分析、探究。

目录

声明

致谢

摘要

1 文献综述

1．1 隐翅虫科Staphylinidae昆虫概述

1．2 昆虫线粒体基因组研究

2 引言

3 材料和方法

3．1 实验材料

3．2 主要试剂与仪器

3．3 实验方法

3．4 数据处理和分析

4 隐翅虫科线粒体基因组分析

4．1 黄足毒隐翅虫Paederus fuscipes的线粒体基因组分析

4．2 迅隐翅虫Ocypus sp．的线粒体基因组分析

4．3 直角菲隐翅虫Philonthus rectangulus的线粒体基因组分析

4．4 小黑方胸隐翅虫Leptochirus laevis的线粒体基因组分析

4．5 菲隐翅虫Philonthus sp．1的线粒体基因组分析

4．6 菲隐翅虫Philonthus sp．2的线粒体基因组分析

4．7 佳隐翅虫Gabrius sp．的线粒体基因组分析

4．8 韦氏迅隐翅虫Ocypus weisei的线粒体基因组分析

4．9 西隐翅虫Hesperosoma sp．的线粒体基因组分析

5 隐翅虫科线粒体基因组的比较研究

5．1 隐翅虫科昆虫线粒体基因组的结构及大小

5．2 隐翅虫科昆虫线粒体基因组的核苷酸组成

5．3 隐翅虫科昆虫线粒体基因的间隔区及重叠区

5．4 隐翅虫科昆虫线粒体基因密码子使用

5．5 隐翅虫科昆虫线粒体基因tRNA和rRNA二级结构

5．6 隐翅虫科昆虫线粒体基因的进化速率

6 隐翅虫科系统发生研究

6．1 构建系统发生树数据集形式

6．2 系统发生结果及分析

7 结论与讨论

7．1 隐翅虫科昆虫线粒体基因组的比较分析

7．2 隐翅虫科系统发生分析

7．3 创新之处

7．4 需改善之处

参考文献

附录