蝗亞目三種昆蟲線粒體基因組測序與蝗總科系統(tǒng)發(fā)育分析

1、蝗亞目三種昆蟲線粒體基因組測序與蝗總科系統(tǒng)發(fā)育分析線粒體在細(xì)胞新陳代謝、疾病、成熟衰老的過程中起重要作用, 是氧化磷酸化及許多重要生化反應(yīng)進(jìn)行的場所。線粒體基因組是獨(dú)立于染色體基因組之外的細(xì)胞器基因組 , 具有獨(dú)立的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄系統(tǒng), 通常是一個(gè)含有37 個(gè)基因的雙鏈、環(huán)狀的 DNA分子 , 因其特殊的遺傳方式而常用于分子系統(tǒng)學(xué)的研究。線粒體基因組作為研究基因組結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化的最佳模型, 對基因組學(xué)研究的探索具有重要理論價(jià)值和實(shí)踐意義。本研究采用 L-PCR及二次 PCR技術(shù)對蝗總科 2 種蝗蟲 ( 北極翹尾蝗 Primnoaarctica(Zhang & Jin,1985)和紅擬棒角蝗Gom

2、phocerippus rufus(Linnaeus,1758)及 1 種蚱 ( 秦嶺微翅蚱 Alulatettixqinlingensis)進(jìn)行全線粒體基因組測序、 拼接和注釋 ; 結(jié)合已經(jīng)測出的直翅目蝗總科 8 科 8 種昆蟲線粒體基因組序列, 從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、比較基因組學(xué)與進(jìn)化基因組學(xué)的角度總結(jié)了蝗總科昆蟲的線粒體基因組結(jié)構(gòu)組成以及序列進(jìn)化等方面的一般特征 , 豐富了直翅目昆蟲的線粒體基因組數(shù)據(jù), 為進(jìn)一步開展昆蟲線粒體譜系基因組學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ); 聯(lián)合 NCBI上已經(jīng)發(fā)表及該項(xiàng)目組其他成員所測出來的 20 種蝗總科昆蟲的全線粒體基因組, 以東方螻蛄 (Gryllotalpaoriet

3、alis)和摩門螽蟖 (Anabrus simplex)作為外群 , 對蝗總科進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建 ; 本研究還基于線粒體基因組蛋白編碼基因聯(lián)合序列對蝗總科8 種昆蟲及蚱總科的秦嶺微翅蚱和蜢總科的變色烏蜢對蝗亞目進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育重建。主要獲得以下結(jié)果 :1. 所測得的 3 種昆蟲全線粒體基因組的基因組成及各基因次序和轉(zhuǎn)錄方向與飛蝗(Locusta migratoria)線粒體基因組一致 , 各包含 13個(gè)蛋白編碼基因 ,22 個(gè) tRNA基因 ,2 個(gè) rRNA基因和一個(gè) A+T豐富區(qū)。 tRNAK和tRNAD的位置與六足動(dòng)物祖先線粒體基因組的基因排列方式相比發(fā)生了互換。2. 對直翅目內(nèi)各種昆蟲

4、線粒體基因組 A+T含量進(jìn)行比較 , 發(fā)現(xiàn)蝗總科內(nèi)錐頭蝗科較其他各科基因組的 A+T含量低 ; 蝗亞目中各種昆蟲線粒體基因組 A+T含量與螽亞目內(nèi)各種昆蟲線粒體基因組 A+T含量相比普遍較高。 3. 蝗總科各科昆蟲蛋白編碼基因密碼子使用具有偏向性 , 第三位點(diǎn)為 A 或 T 的密碼子使用頻率較高。4. 蝗總科 8 科昆蟲各種基因間隔區(qū)最長之處皆位于tRNASer-UCN與 ndl 基因之間 , 在 atp8/atp6和 nad4/nad4L 之間均存在 7bp 的堿基重疊?；蜷g隔區(qū)和基因重疊區(qū)的數(shù)目、長度在各種蝗蟲中均較為相似。5.ATG是蝗總科各科昆蟲的蛋白編碼基因中使用最多的起始密碼子,

5、 其次是ATT,使用較少的起始密碼子是ATA。使用最多的終止密碼子是TAA。多數(shù)直翅目昆蟲線粒體基因組的nd5 基因以不完全終止密碼子T/TA 作為終止信號。 6. 在所測定昆蟲的 tRNA二級結(jié)構(gòu)中 , 均存在一定數(shù)目的堿基錯(cuò)配現(xiàn)象,而且其中絕大部分為G-U 錯(cuò)配。7. 在北極翹尾蝗和紅擬棒角蝗線粒體基因組的 A+T豐富區(qū)中均含有一個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu) , 其結(jié)構(gòu)與 Saito(2005) 在飛蝗線粒體基因組中發(fā)現(xiàn)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)十分相似 ,并且在該二級結(jié)構(gòu)莖的5端均有一個(gè)十分保守的“TA”。8. 本研究基于線粒體基因組對蝗總科8 科進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育重建 , 結(jié)果支持夏氏系統(tǒng)中的斑翅蝗科和斑腿蝗科的單系性 ;

6、發(fā)現(xiàn)劍角蝗科、 網(wǎng)翅蝗科都不是單系群 , 建議將劍角蝗科、 網(wǎng)翅蝗科和槌角蝗科三科合并為一科, 與斑腿蝗科和網(wǎng)翅蝗科并列; 支持蝗總科的錐頭蝗科和瘤錐蝗科合并成一個(gè)科, 這個(gè)分支是蝗總科中較早分離出來的一個(gè)分支;發(fā)現(xiàn)癩蝗科與斑腿蝗科具有較近的親緣關(guān)系。同時(shí)本研究支持 Otte 系統(tǒng)中的斑翅蝗亞科和大足蝗亞科的單系性, 但是不能支持斑腿蝗亞科的單系性。 斑腿蝗亞科、黑蝗亞科和稻蝗亞科有較近的親緣關(guān)系。9. 通過基于線粒體基因組對蝗總科系統(tǒng)發(fā)育重建研究得出的結(jié)果 , 推測夏氏系統(tǒng)蝗總科中 8 科的進(jìn)化關(guān)系是錐頭蝗科 +瘤錐蝗科斑翅蝗科癩蝗科斑腿蝗科劍角蝗科槌角蝗科 +網(wǎng)翅蝗科。10. 本研究基于線粒體基因組得出的蝗總科的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系可以將分布在中國的蝗總科昆蟲分成2 個(gè)分支 , 錐頭蝗科和瘤錐蝗科組成