基于分子数据的蜚蠊科及其共生菌的系统演化研究

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蜚蠊科Blattidae,作为蜚蠊总科Blattoidea最大的类群,约670种。蜚蠊科Blattidae系统学研究存在较大的困难,主要为以下几点:1)野外采集过程中,采集蜚蠊科样本的难度较大,获得的样本较少(常见卫生害虫除外);2)蜚蠊科Blattidae模式属种描述较为简单、模糊,且已有样本鉴定存在较大困难,相关分子数据仍匮乏;3)蜚蠊科Blattidae内部亚科及属种间的分类地位存在争议,例如原蠊亚科Archiblattinae与蜚蠊亚科Blattinae间的分类地位关系,山蠊属Bundoksia Luca?as,2021在蜚蠊科的分类地位等问题。因此,采用三种系统发生分析方法(ML,BI,MP),基于不同的分子数据集(蜚蠊内共生菌121个蛋白编码基因,蜚蠊线粒体基因组结合核基因18S,28S)重建蜚蠊科Blattidae类群的系统发育关系,结合祖先状态重建分析(ASR)来进一步明确蜚蠊科Blattidae各个类群间的分类地位关系变得尤为重要。本研究采用分子数据(内共生菌Blattabacterium基因组数据、蜚蠊线粒体基因组数据结合核基因18S rRNA和28S rRNA)基于最大似然法、贝叶斯法和最大简约法构建系统发育树,对42个宿主蜚蠊物种和对应内共生菌Blattabacterium进行系统发育分析、拓扑关系检验和共进化分析(自测了10种蜚蠊内共生菌Blattabacterium基因组和4种蜚蠊科昆虫线粒体基因组序列),旨在得到可靠的蜚蠊科Blattidae各类群系统发育关系。同时运用采用软件Mesquite v3.7,选取42个蜚蠊目样本类群的14个离散型特征性状(产卵方式、性二型、单眼、下颚须、前后翅长度、后翅附属区、腿节刺式、腹部第一背板、触角长度(与体长作比较)、雌虫下生殖板、雌虫肛上板、钩状阳茎位置、卵鞘)进行祖先状态重建分析(ASR),从而得到蜚蠊祖先特征性状的演化过程。从而从不同水平(分子及形态、内共生菌与宿主)明确蜚蠊科Blattidae各个类群的分类地位和亲缘关系。本研究所获取蜚蠊内共生菌的基因组大小在567-642 kb之间,最大为贵州弯翅蠊内共生菌Blattabacterium sp.(Panesthia guizhouensis)strain PGU(642,768 bp),最小为拟峨眉褶翅蠊内共生菌Blattabacterium sp.(Anaplecta paraomei)strain APA(567,163 bp),共包含553-632个基因,其中516-587个蛋白质编码基因(CDS)、33-36个转运RNA(tRNA)、1个核糖体RNA(rRNA)和1个转运-信使RNA(tmRNA),所有测序样本的共生菌基因组序列均表现出AT偏向性。4种蜚蠊线粒体基因组均为典型的环状双链结构,均由37个基因(22个tRNA基因、2个rRNA以及13个蛋白质编码基因)和一个控制区构成,呈明显的AT偏向性,未发生重排现象。基于蜚蠊线粒体基因组结合核基因数据集构建的最大似然系统发育树(ML)与内共生菌基因组数据集构建的最大似然系统发育树(ML),系统发育分析得出:宿主蜚蠊数据集和共生菌Blattabacterium数据集推断的系统发育树拓扑结构较为一致,且p=0.001<0.05,表明宿主-内共生菌间的共进化关系显著。结合内共生菌Blattabacterium基因组数据和蜚蠊线粒体基因组数据+核基因(18S rRNA,28S rRNA)构建的最大似然系统发育树(ML)、贝叶斯系统发育树(BI)和最大简约系统发育树(MP):1)蜚蠊科和工蠊科互为姊妹群(SH-a LRT/MLB:100/100,BPP=1,MPBS=59);2)郁原角蠊Protagonisia lugubris嵌入到蜚蠊亚科内部(SH-a LRT/MLB:100/100,BPP=1,MPBS=48),蜚蠊亚科与郁原角蠊形成单系群;3)在ML和BI树中,郝氏蠊属Hebardina位于蜚蠊科最基部,与蜚蠊科其余类群互为姊妹群(SH-a LRT/MLB:100/100,BPP=1);而在MP树中,郝氏蠊属Hebardina与苔蠊亚科的Platyzosteria sp.互为姊妹群(MPBS=55),并与蜚蠊科其余类群互为姊妹群(MPBS=100)。此外,基于祖先状态重建(ASR)分析结果,发现:1)在郝氏蠊属前后翅分析中发现存在与其他蜚蠊科类群明显的区别性状,蜚蠊科:雌雄二型,郝氏蠊:翅多态型;2)雌虫肛上板特征的ASR分析表明:郝氏蠊属肛上板分瓣与翅长相关联,长翅型个体肛上板分瓣,短翅型个体肛上板不分瓣;而蜚蠊亚科其余类群肛上板均为分瓣。综上所述,本研究明确了:1)蜚蠊共生菌Blattabacterium与宿主蜚蠊之间显著的共进化关系,明确了内共生菌Blattabacterium系统发育关系可以反映其宿主的系统发育关系;2)基于祖先状态重建分析结果,如前后翅、雌虫肛上板特征分析,证明了郝氏蠊与蜚蠊亚科其余类群存在较为明显的区分特征,结合分子数据分析结果,均支持以郝氏蠊属Hebardina为模式属建立郝氏蠊亚科Hebardininae;3)支持了将原蠊亚科Archiblattinae作为蜚蠊亚科的次异名。
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