基于基因富集技术的多足摇蚊属(双翅目:摇蚊科)分子系统学研究

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多足摇蚊属(Polypedilum)是摇蚊科最大的属级分类单元之一,广泛分布于除南极洲之外的生物地理区,目前世界上已记载种类超过544种。多足摇蚊属幼虫常用于中度耐污染型水质的指示生物,此外,某些种类幼虫又会对水生作物进行啃食,因此对多足摇蚊属昆虫进行研究具有重要的生态和经济价值。然而对于多足摇蚊属来说,各亚属的划分以及某些种类的归属一直具有较大争议,各国研究学者研究观点不一。随着多足摇蚊属昆虫愈来愈多的被发现描述,传统形态学分析已经不能完全支撑起多足摇蚊属系统学研究,随着高通量测序等分子技术的进一步发展,分子系统学中如PCR、RFLP、DNA条形码等技术逐渐渗透进多足摇蚊属的研究中,并被研究学者广泛接受。但是目前关于多足摇蚊甚至摇蚊科昆虫的分子系统学研究主要集中在线粒体(COⅠ、COⅡ、Cytb)或核基因(18Sr DNA、ITS、CAD)等少数几个分子标记研究,这样就容易受到基因的异质性,长枝吸引等系统误差影响,在进行系统发育探究时,不能得到正确的物种树分析。为解决上述问题,本研究利用上海海洋大学海洋观测与模型系统实验室超级计算集群对包括多足摇蚊属Polypedilum(Tripedilum)nubifer、Polypedilum(Polypedilum)vanderplanki在内的9个双翅目昆虫基因组进行筛选,共筛选出586个不含终止密码子的单拷贝核基因作为分子标记,并结合基因富集和高通量测序等技术对多足摇蚊属31个物种系统发育研究探讨同时验证分子标记的可行性。为确定多足摇蚊具体种类,在进行形态学鉴定的同时,利用DNA条形码技术和BOLD数据库中相关数据对中国境内采集的31种多足摇蚊样本进行分析。研究结果如下:(1)中国境内31种多足摇蚊平均种间距离13.93%,条形码技术对于多足摇蚊鉴定成功率高达94.58%。(2)多足摇蚊属利用COI基因构建的NJ系统发育树的置信值较低,分属不同亚属摇蚊仍聚集在一起,不同亚属之间形态具有一定趋同性,所以形态学方面研究时只考虑翅斑、上附器和肛尖等是不足够的,要综合考虑其他形态指标。(3)利用DNA条形码技术成功对Polypedilum(Probolum)bullum实现成幼虫以及雌雄的匹配以及描述,然后结合形态学认为Polypedilum(Polypedilum)laetum Meigen、Polypedilum(Polypedilum)castornama Maschwitz和Polypedilum(Polypedilum)tuberculum Maschwitz也应列入Probolum亚属,但模式材料需进一步检查。通过在BOLD平台上分析,我们认为Polypedilum(Tripodura)scalaeum(KP902794)和Polypedilum(Tripodura)unifascium(KU497132)应为错误鉴定,同时补充了BOLD中没有的多足摇蚊(Polypedilum(Tripodura)falcatum、Polypedilum(Polypedilum)johannseni、Polypedilum(Polypedilum)edensis、Polypedilum(Polypedilum)prominens、Polypedilum(Tripodura)quadriguttatum)DNA条形码信息。通过对31种多足摇蚊进行基因富集实验,成功从设计的586条单拷贝核基因中筛选出183个单拷贝核基因,基于183个单拷贝核基因串联分析,多足摇蚊平均种间遗传距离为12.67%,通过多足摇蚊属最大似然树和物种树分析证明多足摇蚊属物种除Tripodura亚属外,其余亚属如Polypedilum s.str.、Uresipedilum、Pentapedilum均不能认为是单系群,而Tripedilum、Cerobregma以及本研究未涉及的亚属(Asheum、Kribionympha、Atopipedilum)都需要增加样本去进一步探究Tripodura亚属物种的遗传距离阈值应为3%,P.(P.)laetum应划归到Probolum亚属。为进一步验证和挑选单拷贝核基因分子标记,本研究以183个单拷贝核基因串联的多基因树为参考树,并与物种树进行比较,最后利用配对距离、相对组成异质性和分子钟检验对183个基因进行探究,最终筛选出6个符合分子钟检验的单拷贝核基因,并重新构建相关基因树多足摇蚊属系统发育研究,结果如下:多足摇蚊配对距离整体偏小,筛选配对距离小的单拷贝核基因进行系统发育时更符合多足摇蚊参考树和物种树的结构,其次RCV较高的基因不适合对多足摇蚊进行系统发育研究,最后通过分子钟检验进一步表明183个单拷贝核基因构建系统发育树的合理性。
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