2022-07-25
《biology》
影響因子：5.168
近日，派森諾生物與四川省農業科學院合作，在生物學領域的《biology》發表新研究成果！本研究對福建和江西的采集的兩只Haplodiplatys aotouensis的線粒體基因組進行了測序，結果表明該屬的線粒體基因組存在種內變異和廣泛的基因重排事件。本研究的發現可為H.aotouensis分子多樣性和線粒體進化提供新的信息。
研究背景
革翅目，俗稱蠼螋，是陸地昆蟲中一個相對較小的原始類群，在世界范圍內現存1900多種。蠼螋的尾羽呈鉗狀，無節，蠼螋成蟲期的特征很容易與其他昆蟲區分開Haplodiplatys aotouensis Ma & Chen, 1991，原產于中國東南部福建省，后被收錄在Chen & Ma專著(2004)。此后，H. aotouensis的相關研究未見開展。盡管在形態學和分子數據上做了大量的研究，但關于革翅目的系統發育位置以及它們之間的內在聯系仍未明確。與傳統的形態學研究相比，對蠼螋遺傳性狀的研究相對薄弱。與其他昆蟲相比，革翅目廣泛使用的遺傳標記線粒體基因組的研究甚少。迄今為止，只有6個物種的完整或接近完整的線粒體基因組被測序和分析。在Chen(2022)中總結了蠼螋的一些共同的染色體組特征和系統發育的初步結果，但需要更多的染色體組數據進一步證實。本研究收集了來自兩個不同地理位置的樣本，對H. aotouensis線粒體基因組進行了測序和分析。本研究旨在探討蠼螋的線粒體基因組變異、常見的線粒體基因組結構特征及系統發育關系。
研究材料與方法
1、實驗材料
2022年3月福建武義山和2021年5月江西武義山分別采集了兩個樣品，經鑒定這兩個物種為H. aotouensis。
2、分析內容
線粒體基因組測序+組裝+注釋、密碼子偏好性分析、Ka/Ks分析、重復序列分析、進化樹構建。
研究結果
線粒體基因組結構和核苷酸組成
兩個地理區域獲得的兩個線粒體基因組高度相同(99.4%)，這可以證實它們是同一物種。福建的H. aotouensis的線粒體基因組長度為16134 bp，而江西的線粒體基因組長度為16222 bp。兩個線粒體基因組都由標準的37個基因組成(13個PCGs, 22個tRNA,2個rRNA基因)，但它們在以下幾個方面存在差異:cox1、cox2和nad6基因分別在951、300和384bp上有一個不同的堿基；江西樣品的rrnS基因在中段比福建樣品多一個堿基;多數的J鏈有24個基因，少數的N鏈有剩下的14個基因。在該屬的線粒體基因組中，共發現4個重疊區域，大小在1 - 7 bp之間。在atp8和atp6之間有最長的重疊區域。還有23個基因間隔區，大小從2到178 bp不等，最長的基因間隔區位于trnS2和nad1之間。兩個H.aotouensis線粒體基因組呈現高度AT偏向性，福建樣品和江西樣品的AT含量分別為71.7%和71.9%，37個線粒體基因中的每個基因都具有豐富的AT含量，在trnK中為63.6%，在trnC中為86.6%。在兩個線粒體基因組中，AT skew為負（-0.1），而GC skew為正（0.3）。
圖1 線粒體基因組圈圖
基因重排
兩個H. aotouensis線粒體基因組中的13個基因順序與所有已測序的蠼螋和D. yakuba的祖先節肢動物線粒體基因排列順序相同且基因結構保守。而trnI-Q-M、trnW-C-Y和tRNA -R - N - S1 - E - F三個基因簇中的tRNA基因均發生重排，且在已測序的蠼螋中均未發現這種重排模式。CREx分析表明，H.aotouensis的線粒體基因組的基因順序與D.yakuba的線粒體基因組的祖先類型不同，按照如下步驟進行重排的:trnC和trnY的初始轉位;trnF和trnN的后續逆轉; 以及trnY-trnC、trnR、trnQ和trnS1的兩個最終串聯復制和隨機損失事件。
圖2 H.aotouensis進化過程中線粒體基因重排
編碼基因
所有PCGs都以標準的ATN起始密碼子(ATT、ATC和ATG)開始，以完全終止密碼子TAN (TAA或TAG)結束。RSCU結果顯示在氨基酸編碼密碼子中使用頻率最高的是TTA (Leu)、TCT (Ser)和CCT (Pro)。Ka/Ks結果表明，nad4l的進化速率最高，其次是cox1、nad4和nad6。不同地理樣品中cox1、cox2和nad6的Ka/Ks比值存在差異。計算結果還顯示，福建樣品中cox1和cox2的進化速率略高，江西樣品中nad6的進化速率略高。4個基因的比值大于1，說明它們是在正向選擇下進化的。其余9個PCGs的Ka/Ks比都低于1，表明這些PCGs中存在純化選擇。
圖3 不同地區的H. aotouensis線粒體基因組的RSCU和Ka/Ks分析
tRNAs, rRNAs and the Control Region
兩個H. aotouensis的線粒體基因組都包含22個典型的tRNA基因，這些基因的核苷酸序列是兩兩相同的。這些tRNA的大小從66 - 79 bp不等，最長的tRNA基因為trnW。tRNA基因的反密碼子與其他已測序的蠼螋相同。大多數tRNA基因預測的二級結構都是典型的三葉草結構，而trnS1的二氫尿嘧啶臂被縮減為一個小環。在16個tRNA基因的二級結構中共發現37個不匹配的堿基對，它們都是G-U對不匹配。大核糖體RNA(rrnL)基因和小核糖體RNA(rrnS)基因位于trnL1與控制區之間的保守位置。福建樣品和江西樣品的rrnL基因長度為1408 bp, AT含量均為75.4%。兩種有絲分裂基因組的rrnS基因長度略有差異，福建樣品為814 bp，AT含量為75.4%；江西樣品為815 b， AT含量75.5%。
圖4 tRNA的二級結構
兩個樣本的控制區均小于200 bp，福建樣品控制區長139 bp, AT含量為77%;江西樣品控制區長197 bp,AT含量較高，達83.8%。兩個對照區域的核苷酸序列在1-93和94-139位置相同。在兩個對照區域的50端附近檢測到3個串聯重復序列，每個重復序列包含8個核苷酸，即TACGCGTA。在兩個對照區域的30端附近也發現了一個poly-[TA]n延伸，福建的樣本長8 bp (4 TA單位)，江西的樣本長66 bp (33 TA單位)，兩個控制區之間的長度差異是由于TA單元數量不同造成的。
進化樹分析
為了獲得更可靠的系統發育結果，本研究排除了D. flavicollis中缺失的cox1、cox2和nad2。從飽和度圖可以看出，atp8、nad4l和nad6和所有PCGs的第三個密碼子，以及這兩個rRNA基因已經飽和，并被排除在核苷酸數據集之外。最終的核苷酸數據集包含來自7個PCGs的4542個堿基。氨基酸數據集由2271個氨基酸組成，這些氨基酸來自7個不飽和PCGs，包括它們的第三個密碼子位置。在6個系統發育樹中，有5棵具有相同的拓撲結構。在所有樹圖中，本研究測序H. aotouensis均聚在一起。
圖5 PCGs的每個密碼子位置和rRNA的每個基因替換飽和圖
圖6 進化樹
結 論
本研究發現了一種中國蠼螋種內線粒體基因組變異和廣泛的基因重排。然而，目前對蠼螋線粒體基因組特征的研究還很少。線粒體基因組數據有望解決革翅目系統發育問題，未來將結合核標記對革翅目線粒體基因組進行更全面的采樣和測序，重建更可靠的系統發育。
本研究的denovo測序由上海派森諾生物科技有限公司完成。如需進一步討論，歡迎發郵件或者致電我們喲（郵箱地址：[email protected]，聯系電話：025-56165883-832）！
文章索引：Liu H L, Chen S, Chen Q D, et al. The First Mitochondrial Genomes of the Family Haplodiplatyidae (Insecta: Dermaptera) Reveal Intraspecific Variation and Extensive Gene Rearrangement[J]. Biology, 2022, 11(6): 807.
