蝉科Cicadidae昆虫的若虫长期在地下生活,成虫寿命短,扩散能力低,是研究物种形成和生物地理较为理想的模式生物。该类群鸣声可以用来快速评估分布区物种的多样性,尤其对隐存物种发现、近缘种区分、系统发育树冲突解析及物种形成等具有重要意义。以往关于蝉科昆虫谱系地理学的研究主要集中于澳大利亚、新西兰、地中海地区和美国等,而中国及东亚的蝉科昆虫研究主要以传统形态分类、系统发育、生物声学以及行为生态学为主,谱系地理学研究非常有限。因此,本研究综合采用形态学、分子生物学、生物声学及行为生态学方法,以中国及周边地区的4种蝉科昆虫为研究对象,对其起源、扩散、分布格局成因和演化历史等进行了研究,旨在阐明相关种类的起源及分布格局形成过程,并明晰其遗传多样性和种群分化模式。此外,鉴于地理隔离和寄主转变对昆虫的表型和遗传分化具有重要影响作用,而前期研究表明中国特有的枯蝉Subpsaltria yangi分布范围狭小,但不同种群的生境及遗传分化显著,本研究重点基于基因分型测序(Genotyping-by-sequencing,GBS)等分子数据,结合声学和生态学数据对其不同种群的遗传分化、鸣声分化及适应性进化等进行了研究,以明晰地理隔离和寄主转变等对该物种表型分化和遗传分化的潜在影响。主要研究结果如下:1)斑透翅蝉Hyalessa maculaticollis整合分类与种群分化研究:斑透翅蝉H.maculaticollis在东亚地区分布范围广泛,但具有较大的形态变异。该种与其近缘种透翅蝉H.fuscata之间的关系长期存在争议。本研究基于形态特征、线粒体基因(COI、COII、Cytb)和细胞核基因(EF-α1、ITS1)及雄性鸣声结构的分析比较,探讨了该物种的种群分化、遗传结构和谱系地理结构。结果表明,斑透翅蝉复杂的形态变异与高水平的遗传分化相一致。系统发育和单倍型网络分析表明,该种由两个主要支系组成,即中国和日本支系。在冰期,东海陆桥为该种的扩散通道,更新世的气候振荡和东亚地质结构都影响了该物种的种群分化和谱系地理形成。东海两岸的支系分化时间约在1.05 Ma(95%CI=0.80–1.30 Ma),与“琉球珊瑚海阶段”海平面迅速上升的时间(0.2–1.3 Ma)大致相同。研究结果表明,各种群具有明显的谱系地理结构;中国分布的种群分化为较多的单倍群,具有较复杂的结构;秦岭山脉和四川盆地周围的山区是该物种在冰期时的主要避难所,而在秦岭北麓的种群发生了显著扩张;华东地区种群中单倍型和核苷酸多样性程度较高,表明较平坦的低海拔丘陵地形适合该种的生存。另外,形态变异、鸣声结构分析以及声学回放实验研究结果揭示出暗透翅蝉H.fuscata与斑透翅蝉H.maculaticollis为同一物种,前者为后者的次异名。2)黄蟪蛄Platypleura hilpa谱系地理研究:气候变化和地理事件对生物种群遗传结构改变具有重要影响作用。热带和亚热带地区从未被冰川覆盖过,因此气候变化和地理事件等对不同地区分布的物种产生的影响可能不同。本研究重点基于线粒体基因、核基因及微卫星标记,并综合采用生态学研究方法,分析了中国南部及越南东北部沿海地区的黄蟪蛄种群遗传结构、多样性及进化历史,并探讨了气候变化及地质事件对其演化的潜在影响。结果表明,该物种由5个主要支系组成,每个支系都具有几乎独特的谱系结构和单独的地理分布区。生态位模拟和多样性分析表明,其谱系地理形成与多种气候因素有关。基于分子数据的祖先区域重建结果表明,该物种在更新世发生了一次大的分化。生态位建模结果表明,在末次盛冰期(LGM),其潜在分布区在华南地区明显扩大,并沿南海陆桥向南延伸,而雷州半岛的分布区基本保持稳定。华南地区的种群具有最高的遗传多样性,表明该地区气候稳定,但预计到2050年适宜生境会有所下降。更新世海平面的波动对该物种的遗传结构变化产生了深刻影响。与琼州海峡相比,北部湾是一个更重要的地理屏障,阻断了种群间的基因流动。这些结果进一步揭示了气候变化等因素对东亚沿海地区昆虫在自然演化和进化过程中的影响。3)合哑蝉Karenia caelatata分布格局及演化历史:横断山脉是生物多样性研究的热点地区,具有复杂而独特的地质结构。合哑蝉是分布于横断山脉、秦岭、巴山、云贵高原以及我国南岭地区的山地特有物种,发声机制独特(靠翅拍击腹板边缘发音);其形态与鸣声(振翅音)在地理种群间呈现明显分化,是研究东亚地区山地昆虫物种形成机制和多样性分化的理想材料。本研究综合采用形态学、生物声学及分子生物学方法,探讨了合哑蝉的种群分化、遗传结构和谱系地理结构。结果表明,该物种多样的形态变异与高水平的遗传分化是一致的。系统发育、贝叶斯种群结构(BAPS)和单倍型网络分析显示,合哑蝉主要分为6个支系,各支系几乎形成各自独立的单倍群及地理分布区。鸣声结构分析表明,横断山脉、武夷山脉的种群与其它种群产生了显著的分化。分子测年与祖先位点重建结果表明,该物种的主要分化发生在上新世与更新世时期,该分化时间与横断山脉的隆起时期大致吻合(约3.0 Ma),表明造山运动及气候变化等历史事件在推动横断山脉山地物种多样性形成方面具有重要作用;基因流分析结果表明,该物种起源于横断山脉,并向东扩散至大娄山(贵州高原),向北扩散至邛崃山,再由邛崃山扩散到秦岭和巴山;多样化及种群分化分析结果一起反映了分布于横断山脉的种群存在较高的分化,该结果支持了“山脉隆升驱动型多样化”假说;生态位模拟表明该物种在末次盛冰期(LGM)的最适生境与现在的分布区基本一致(主要分布于横断山脉、秦岭、巴山山脉及南岭地区),表明这些地区为该物种提供了冰期避难所。相关结果为研究东亚大陆复杂地质事件塑造物种多样性的机制提供新的重要信息。4)枯蝉S.yangi种群分化及谱系地理研究:地理隔离是导致物种形成的最重要因素之一。本研究基于线粒体基因和核基因数据分析了分布于中国西北黄土高原及周边地区枯蝉的遗传分化,并比较了该物种的雄性鸣声结构。结果表明,枯蝉各种群具有低水平的遗传分化和相对比较简单的谱系地理结构,但不同种群间的分化和谱系关系明显;分歧时间分析表明,该物种的地理分布格局与中国西北地区的冰期生物避难所分布基本一致,遗传分化时间和冰期与间冰期气候波动周期也基本吻合;贺兰山种群和其它种群的遗传分化最为显著,而且鸣声结构也与其它种群产生显著差异,贺兰山和周边地区的种群在末次盛冰期(LGM)出现种群扩张现象。地理隔离(如贺兰山周边的沙漠和半荒漠)与不同分布地的气候差异一起加速了种群分化过程。5)基于基因分型测序(GBS)技术的枯蝉S.yangi适应性进化研究:基于GBS数据,共检测到枯蝉平均7,216个单核苷酸多态性(SNPs)。种群结构分析结果表明,枯蝉各种群可被分为4个主要支系,且支系分化与寄主植物和生态环境明显相关,每个支系都具有较为独特的谱系结构和鸣声结构。不同种群的基因型和鸣声表型变异联合比较结果表明,根据地理距离与鸣声表型差异能很好地预测基因组的差异。鸣声表型变量和地理距离的空间自相关性分析表明,声音信号与地理距离联合起来可揭示种群间60%以上的基因组差异。与更新世冰期密切相关的地理屏障和气候波动是影响该物种种群遗传结构形成的主要因素,而寄主改变对其种群分化及早期物种形成具有重要推动作用,这为蝉科昆虫的物种形成机制研究提供一个很好的示例,有助于解析贺兰山及其周边地区特有物种的形成、分化、适应性微进化和谱系地理结构形成,并为进一步研究植食性昆虫遗传分化与表型变化的相关性及其对新寄主、生境的适应性进化研究提供参考。综上所述,本研究揭示出气候变化与重大地质历史事件是影响东亚地区蝉科昆虫多样性分化、物种形成及谱系地理结构的重要因素。另外,研究结果表明,综合采用形态学、分子生物学、生物声学和行为生态学等数据,可在解决长期阻碍蝉科昆虫系统学研究相关难题的同时,能进一步为深入开展东亚地区其它昆虫的物种分化、地理分布格局形成及谱系地理结构研究提供了新的重要信息。