小腹茧蜂亚科（膜翅目：茧蜂科）比较线粒体基因组学与系统发育研究

摘要

昆虫线粒体基因组具有基因组长度短、基因排列顺序保守、母系遗传及进化速率快等优点，为系统发育分析提供了丰富的分子标记，已经成为生物进化研究的理想材料。随着系统发育分析方法及测序技术的的发展，基于线粒体基因组的系统发育研究已成为热点领域，虽然有大量线粒体基因组被用于不同分类阶元的系统发育关系研究，但是目前相关研究主要集中在高级阶元的系统发育关系中，在低级阶元间的系统发育关系研究较为少见。目前的研究发现线粒体基因组在高级阶元系统发育关系研究中存在碱基替换饱和、长枝吸引、类长枝效应、位点速率异质性和分组策略选择等问题，而在低级阶元间系统发育研究中则很少有这些问题，表现出极高的应用潜力。
　　小腹茧蜂亚科是膜翅目茧蜂科的一个主要亚科，专性寄生于鳞翅目昆虫幼虫，已知寄主几乎包括所有鳞翅目的科(除蝙蝠蛾科(Hepialidae)和少数较低等的蛾类外），在农业生产中具有重要意义。小腹茧蜂亚科内部的进化关系极其复杂，不同类群间的系统发育关系存在较大争议。由于小腹茧蜂亚科线粒体基因组存在基因重排、A+T碱基含量高等，以及该亚科的种类鉴定相当困难，导致该类群线粒体基因组的测序极为滞后，因此相对于该亚科巨大的类群数量（现在已有2200多种），目前仅见1个种的线粒体基因组被测定和报道。对小腹茧蜂亚科内不同类群的线粒体基因组进行测序和分析，深入挖掘线粒体基因组中的系统发育信号，重建小腹茧蜂亚科主要类群间系统发育关系，对揭示小腹茧蜂亚科的进化过程，正确合理地利用该类群的天敌昆虫资源具有重要意义。
　　本研究对小腹茧蜂亚科5个族9个属15个种的线粒体基因组进行了测序、注释和分析，同时从GenBank下载该亚科1种线粒体基因组序列，利用比较基因组学和生物信息学的手段，分析了小腹茧蜂亚科线粒体基因组的特征，重建了小腹茧蜂亚科主要类群间的系统发育关系。主要研究结果如下:
　　(1)测定了小腹茧蜂亚科5个族9个属15个种的线粒体基因组序列，对基因组特征进行了分析，包括线粒体基因组组成分析、基因间隔区与重叠区分析、基因组排列方式和密码子使用情况等。已测得的小腹茧蜂亚科昆虫线粒体长度在5996 bp-14137 bp之间，A+T含量为77.64％-86.09％。小腹茧蜂亚科线粒体基因组中已知蛋白编码基因起始密码子均为ATN，主要终止密码子为TAA。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。茧蜂科昆虫的基因组重排主要集中在tRNA基因，重排的热点区域主要在trnA-trnR-trnN-trnS2-trnE-trnF和trnH-trnD-trnK两个tRNA簇中。本研究共发现绒茧蜂Apanteles sp.、幽茧蜂Pholetesor sp.两个种，再加上已经报道的菜蛾盘绒茧蜂Cotesia vestalis的线粒体基因组中蛋白编码基因发生了大量重排，分属2族3属。比较分析发现，蛋白编码基因重排在类群间没有相关性。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基因的二级结构为典型的三叶草状。
　　(2)在已测的小腹茧蜂亚科昆虫中，除了幽茧蜂Pholetesor sp.之外其余所有AT偏斜为负值，而GC偏斜都是正值，即A少于T，G多于C。表明碱基组成偏向性在小腹茧蜂亚科中具有保守性，但也存在特例。
　　(3)基于线粒体全基因组序列对小腹茧蜂亚科昆虫进行了系统发育分析，本研究采用基于蛋白编码基因DNA序列和RNA序列的系统发育结果。贝叶斯方法(BI)和最大似然法(ML)均支持小腹茧蜂亚科为一个单系群，支持拱茧蜂族Forniciini处于小腹茧蜂亚科基部，该亚科内部关系为（（（（绒茧蜂族Apantelini+盘绒茧蜂族Cotesiini）+小腹茧蜂族Microgastrini))+横背拱脊茧蜂Choeras grammatitergitus）））+侧沟茧蜂族Microplitini））））+拱茧蜂族Forniciini。本研究初步确定了该亚科各族之间的关系，认为Mason(1981)的分类体系在框架上大致是正确的，同时确认了族内少数属的关系。但还有两个属需要进一步的研究。从结果分析，拱脊茧蜂亚属Choeras可能并不是一个单系群，再加上该亚属形态特征差异较大，本亚属内种还需要进一步细分。本研究从分子上支持van Achterberg et al.(2015)将沟腹茧蜂属Diolcogaster部分种类划分到拱茧蜂族Forniciini，该属还需继续研究。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

缩写与术语表

1 文献综述

1．1 小腹茧蜂亚科分类及系统发育研究

1．1．1 小腹茧蜂亚科的分类研究

1．1．2 小腹茧蜂亚科的系统发育研究

1．1．3 小腹茧蜂亚科寄生蜂的研究价值和经济价值

1．2 线粒体基因组学研究

1．2．1 线粒体起源

1．2．2 线粒体基因组的遗传

1．2．3 线粒体基因组特征

1．2．4 昆虫线粒体基因组特征

1．2．5 昆虫线粒体基因组的分子标记

1．3 线粒体基因组在昆虫系统发育中的应用

1．3．1 昆虫线粒体基因组测序进展

1．3．2 线粒体基因组研究方法

1．3．3 基于线粒体基因组的昆虫系统发育研究

2 材料与方法

2．1 技术路线

2．2 标本的收集

2．3 主要仪器与试剂

2．3．1 主要试剂

2．3．2 主要仪器

2．3．3 主要软件

2．4 试验和分析方法

2．4．1 线粒体基因组测序

2．4．2 线粒体基因组注释

2．4．3 比较基因组学分析

2．4．4 系统发育分析

3 小腹茧蜂亚科的线粒体基因组基本特征

3．1 绒茧蜂族Apantelini Viereck，1918

3．1．1 绒茧蜂Apanteles sp．线粒体基因组基本特征

3．1．2 横背拱脊茧蜂Apanteles (Choeras) grammatitergitus线粒体基因组基本特征

3．1．3 拱脊茧蜂Apanteles (Choeras) sp．线粒体基因组基本特征

3．1．4 幽茧蜂Pholetesor sp．线粒体基因组基本特征

3．2 盘绒茧蜂族Cotesiini Mason，1981

3．2．1 盘绒茧蜂属Cotesia及其线粒体基因组

3．2．2 沟腹茧蜂Diolcogaster sp．线粒体基因组基本特征

3．2．3 原绒茧蜂Protapanteles sp．1线粒体基因组基本特征

3．2．4 原绒茧蜂属Protapanteles sp．2线粒体基因组基本特征

3．2．5 淡足原绒茧蜂Protapanteles pallipes线粒体基因组基本特征

3．3 拱茧蜂族Forniciini Mason，1981

3．3．1 白翅拱茧蜂Fornicia albalata线粒体基因组基本特征

3．4 小腹茧蜂族Microgastrini F(o)rster，1862

3．4．1 平侧小腹茧蜂Microgaster campestris线粒体基因组基本特征

3．4．2 中华小腹茧蜂Microgaster sinicus线粒体基因组基本特征

3．4．3 小腹茧蜂Microgaster sp．线粒体基因组基本特征

3．5 侧沟茧蜂族Microplitini Mason，1981

3．5．1 内弯侧沟茧蜂Microplitis incurvata线粒体基因组基本特征

3．5．2 基陡胸茧蜂Snellenius radicalis线粒体基因组基本特征

3．5．3 陡胸茧蜂Sneilenius sp．线粒体基因组基本特征

4 小腹茧蜂亚科昆虫线粒体基因组比较分析

4．1 小腹茧蜂亚科昆虫线粒体基因组的重排

4．2 小腹茧蜂亚科昆虫碱基组成分析

4．3 起始密码子与终止密码子的使用

4．4 小腹茧蜂亚科昆虫线粒体基因组的基因间隔区与重叠区

4．5 小腹茧蜂亚科线粒体基因组进化速率

5 基于线粒体基因组的小腹茧蜂亚科系统发育研究

5．1 基于蛋白编码基因DNA序列构建系统发育树

5．2 基于蛋白编码基因DNA序列和RNA序列构建系统发育树

5．3 基于蛋白编码基因氨基酸序列的系统发育关系

5．4 基于线粒体基因组的小腹茧蜂亚科系统发育研究结果

6 结果与讨论

6．1 总结

6．1．1 小腹茧蜂亚科昆虫线粒体基因组测序、注释及特征研究

6．1．2 小腹茧蜂亚科昆虫线粒体基因组比较基因组学

6．1．3 基于线粒体基因组的小腹茧蜂亚科进化分析

6．2 创新之处

6．3 不足之处

6．4 今后的研究方向

参考文献

附录Ⅰ 膜翅目其他昆虫线粒体基因组

附录Ⅱ 小腹茧蜂亚科拱脊茧蜂亚属的分类研究

附录Ⅲ 作者简历及发表的论文