蚜蠅科昆蟲比較線粒體基因組分析

李 娟， 李 虎,2*， 霍科科

(1.陜西理工大學 生物科學與工程學院， 陜西 漢中 723000;2.陜西省資源生物重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

蚜蠅，又稱訪花蚜蠅，是蚜蠅科(Syrphidae)昆蟲的總稱，全世界已知約有3亞科230屬6000余種，廣泛分布于世界各地[1]。成蟲具有訪花習性，幼蟲的捕食范圍較為廣泛。通常，管蚜蠅亞科幼蟲寄生在枯木中，食用土壤、池塘和溪流中腐爛的植物和動物殘體[2-3]；巢穴蚜蠅亞科的幼蟲在螞蟻巢穴里寄居[4]；蚜蠅亞科幼蟲具有捕食性，捕食蚜蟲、薊馬和其他刺吸植物的害蟲[5-7]。因此蚜蠅與人類生產(chǎn)關(guān)系密切。

蚜蠅科昆蟲系統(tǒng)發(fā)育進化關(guān)系，多采用形態(tài)學形狀和單個基因或少數(shù)幾個基因相結(jié)合的方法進行研究。傳統(tǒng)分類學鑒定需要相當高的技能和分類學專長，對于某些物種之間，尤其是形態(tài)相似性較高的物種，在形態(tài)鑒定過程中會出現(xiàn)很大的困難[8]。由于不同基因的進化速率和保守性的差異，在利用單個基因和少數(shù)幾個基因分析不同階元的系統(tǒng)發(fā)育時，結(jié)果往往是有差異的。近年來隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，測序成本不斷降低，使得線粒體基因組全序列被廣泛地應用于種群結(jié)構(gòu)和支序關(guān)系的研究。

線粒體基因組全序列被看做是一種很有前途的新工具，可用于深層理解昆蟲的系統(tǒng)遺傳學[9]。昆蟲線粒體基因組全序列具有母系遺傳、基因組成穩(wěn)定、基因排列順序相對保守以及極少發(fā)生重組等特點[10]，因而被廣泛應用于動物的起源、演化和分類，以及系統(tǒng)進化和親緣關(guān)系的研究[11]。截止2018年9月，通過檢索美國國立生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information，NCBI)的GenBank數(shù)據(jù)庫和查閱文獻資料，已完成線粒體基因組全序列測序的蚜蠅共有6種：Ocyptamussativus(登錄號：KT272862)[12]、Syrphidae sp.(登錄號：KM244713)[13]、黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus(登錄號：KU351241)[14]、大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla(登錄號：KU379658)[14]、大角類蚜蠅Simosyrphusgrandicornis(登錄號：DQ866050)[9]和長尾管蚜蠅Eristalistenax[15]，其中Syrphidae sp.和大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla的線粒體基因組序列還不完整。

本文通過對現(xiàn)有的線粒體基因組全序列進行比較分析，總結(jié)蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列的結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建基于線粒體基因組全序列的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，驗證并討論當前的分類系統(tǒng)。

1 線粒體基因組全序列在系統(tǒng)發(fā)育中的優(yōu)勢

Tautz等[16]首次提出用DNA序列作為生物分類的主要依據(jù)，即DNA分類學。Hebert[17]等進一步提出DNA條形碼計劃，并指出線粒體基因細胞色素C氧化酶I(COI)可以作為全球生物識別系統(tǒng)的核心。COI基因可以很好地用于分析科與科之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系[18]，但對于同種不同群體之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的分析仍存在一定問題[19]。一個完整的線粒體基因組全序列可以提供更豐富的系統(tǒng)遺傳信息，因此可能比單個基因或多個基因在解決系統(tǒng)發(fā)育和進化關(guān)系上具有更明顯的優(yōu)勢[20]。隨著GenBank數(shù)據(jù)庫中線粒體基因組全序列的不斷補充，大量的研究結(jié)果表明，線粒體基因組全序列可為深層次的分析生物系統(tǒng)發(fā)育和進化關(guān)系提供更充分的分子理論依據(jù)。

2 昆蟲線粒體基因組全序列的應用概況

線粒體基因組全序列可用于昆蟲的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建、物種和行為起源與進化、種群遺傳變異分化、近緣種以及種下分類單元的鑒定等，其中應用于鱗翅目、鞘翅目等昆蟲的系統(tǒng)進化關(guān)系和DNA條形碼等研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多令人矚目的成果。張敏等[21]通過對小紅珠絹蝶線粒體基因組全序列分析蝶類高級階元系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，其研究結(jié)果與傳統(tǒng)的分類學結(jié)果基本一致，支持絹蝶科物種歸為絹蝶亞科；絹蝶亞科、鋸鳳蝶亞科和鳳蝶亞科屬于鳳蝶科，并且絹蝶亞科與鋸鳳蝶亞科為姊妹群。楊洪等[22]通過對煙蚜線粒體基因組全序列進行系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果證實了蚜亞科和長管蚜亞科的單系性。Timmermans等[23]基于53個線粒體基因組全序列的12個編碼蛋白基因的聯(lián)合數(shù)據(jù)對鞘翅目亞目間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進行了探討，結(jié)果表明肉食亞目與藻食亞目互為姊妹群，多食亞目圓花蚤科(Scirtidae)在鞘翅目亞目的基部，叩甲系和扁甲系為單系，叩甲系與多食亞目的其他4個系所形成的進化枝形成姊妹群。楊秀帥[24]基于線粒體基因組全序列數(shù)據(jù)獲得的夜蛾總科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，支持最新的夜蛾總科六科系統(tǒng)和弄蝶科屬于鳳蝶總科。

3 蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列的結(jié)構(gòu)與堿基組成

3.1 蚜蠅科線粒體基因組全序列的結(jié)構(gòu)

圖1 雙翅目昆蟲線粒體基因組

蚜蠅科線粒體基因組包含37個編碼基因，其中包括22個轉(zhuǎn)移RNA基因，13個蛋白編碼基因(PCGs)、2個核糖體RNA基因和非編碼控制區(qū)，與雙翅目昆蟲的線粒體基因組特點相同(圖1)[25]；其中有23個基因在J鏈上編碼，14個基因在N鏈上編碼，符合昆蟲線粒體基因組結(jié)構(gòu)特點[26]。13個蛋白編碼基因，其中9個基因位于J鏈，4個基因位于N鏈。由GenBank數(shù)據(jù)庫已知的5種蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列長度以及長尾管蚜蠅線粒體基因組全序列的長度進行比較分析(表1)，可得出蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列長度約在11 583～16 175 bp之間，平均長度為15 088 bp。其中未知種Syrphidae sp.的線粒體基因組全序列最短，為11 583 bp，黑帶蚜蠅的線粒體基因組全序列最長，為16 175 bp[13-14]。

3.2 堿基組成

對線粒體基因組全序列中堿基A、T、G、C的組成進行比較分析(表1)發(fā)現(xiàn)，G的含量均低于C的含量(G%A%)，然而Syrphidae sp.和大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla這兩個物種A的含量高于T的含量(A%>T%)。研究表明，G和C之間的相對含量與DNA復制起點的方向有關(guān)，而A和T之間的相對含量會隨著復制起點的方向、密碼子的位置以及基因的位置的變化而變化，堿基組成的不均衡性可能對線粒體基因組的復制和轉(zhuǎn)錄存在一定的影響[25]。

表1 6種蚜蠅線粒體基因組全序列比較

通常，線粒體基因組全序列堿基組成特征可用3個參數(shù)表示，即A+T含量、AT偏斜和GC偏斜，AT偏斜與GC偏斜分別使用公式AT-skew=(A-T)/(A+T)、GC-skew=(G-C)/(G+C)來計算[27]。蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列在堿基組成中表現(xiàn)出很強的AT偏向性((A+T)%>(G+C)%)，對這6種蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列計算得出，大角類蚜蠅Simosyrphusgrandicornis和黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus的線粒體基因組中A+T含量均為80.83%，Ocyptamussativus為80.41%，Syrphidae sp.為80.29%，大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla為80.18%，長尾管蚜蠅EristalistenaxA+T含量為80.1%[15]。

3.3 基因重排、基因間隔與基因重疊

通過比對發(fā)現(xiàn)，很多目昆蟲的線粒體基因組基因重排現(xiàn)象非常普遍，例如鱗翅目、半翅目、纓翅目等[28-30]。不同物種基因重排排序方式可能不同，例如在鱗翅目中云南蝠蛾的線粒體基因組排序方式類似于果蠅，而不同于家蠶[31]。目前已測序的蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列中，并未發(fā)現(xiàn)基因重排現(xiàn)象。蚜蠅科昆蟲線粒體基因組中出現(xiàn)了基因重疊和基因間隔，重疊范圍大多在1～7 bp之間，最長的基因重疊區(qū)域位于atp8和atp6、nad4和nad4l之間?；蜷g隔的間隔距離范圍較大且數(shù)量多，如黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus在22個不同的位置上出現(xiàn)基因間隔，間隔范圍為1～60 bp，長尾管蚜蠅Eristalistenax在20個不同的位置上出現(xiàn)了基因間隔，間隔范圍為1～37 bp，大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla間隔基因出現(xiàn)在19個不同的位置，間隔范圍為2～47 bp等。在大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla和黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus中最長的間隔基因位于trnK和trnD之間，其次是位于trnE和trnF之間[14]。間隔基因的出現(xiàn)可能有利于儲存較多的遺傳信息，也可能會增加變異概率，有利于生物進化。

圖2 tRNA典型的二級結(jié)構(gòu)

3.4 轉(zhuǎn)移RNA和核糖體RNA基因

黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus和大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla線粒體基因組中，所有tRNA基因的二級結(jié)構(gòu)都可折疊成典型的三葉草結(jié)構(gòu)(圖2)[32]；所有的tRNA的二氫尿苷(DHU)臂是一個大環(huán)，而不是一個保守的莖環(huán)結(jié)構(gòu)；trnM基因序列最保守，沒有任何核苷酸變化；出現(xiàn)堿基錯配現(xiàn)象[14]。rRNA包括rrnl和rrns，其結(jié)構(gòu)特點未見報道。

3.5 密碼子使用

大多數(shù)線粒體蛋白編碼基因的起始密碼子都是ATN，與之不同的是，長尾管蚜蠅Eristalistenax[15]的COI和ND1的起始密碼子為TTG，COIII使用的起始密碼子是TGG。除了大灰優(yōu)蚜蠅中ND5的終止密碼子是一個不完全的TA[14]，其余所有的蛋白編碼基因使用的終止密碼子都為TAA。在黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus和大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorolla線粒體基因組全序列中，由于Leu、Ile、Phe和Met是最常被編碼的氨基酸，因此TTA(Leu)、ATT(Ile)、TTT(Phe)和ATA(Met)是最常見的密碼子[14]。4個物種蛋白編碼基因的AT偏斜和GC偏斜如表2所示[14]，僅有大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorollae的AT偏斜為正數(shù)，其余均為負數(shù)，并且GC偏斜的絕對值都大于AT偏斜。

表2 PCGs核苷酸長度及偏斜值

4 基于線粒體基因組蚜蠅科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究

選取8個物種線粒體基因組全序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，包括來自蚤蠅科Phoridae、鼓翅蠅科Sepsidae和佛蠅科Fergusoninidae的3個外群，這8個物種均屬于雙翅目，親緣關(guān)系較近[14]，其中蚤蠅科和蚜蠅科屬于無縫組，鼓翅蠅科和佛蠅科屬于有縫組。檢索GenBank數(shù)據(jù)庫已有的線粒體基因組全序列，使用最大似然法(ML)分析系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)。

圖3 基于線粒體基因組全序列構(gòu)建的最大似然法系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

3個外群中，F(xiàn)ergusoninataylori(佛蠅科Fergusoninidae)最先分出，位于樹的根部，接著Megaseliascalaris(蚤蠅科Phoridae)和Nemopodamamaevi(鼓翅蠅科Sepsidae)分出并聚在一起構(gòu)成姐妹群關(guān)系，蚜蠅科Syrphidae與(蚤蠅科Phoridae+鼓翅蠅科Sepsidae)構(gòu)成姊妹群關(guān)系。5種蚜蠅聚類成一大支，構(gòu)成單系，系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系為(Syrphidae sp.+(Ocyptamussativus+(大灰優(yōu)蚜蠅Eupeodescorollae+(大角類蚜蠅Simosyrphusgrandicornis+黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus))))，其中大角類蚜蠅Simosyrphusgrandicornis和黑帶蚜蠅Episyrphusbalteatus構(gòu)成姊妹群關(guān)系。

5 討 論

截至2018年9月，檢索GenBank數(shù)據(jù)庫和查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，已測出線粒體基因組全序列的蚜蠅科昆蟲共有6種，其中基因組完整的4種，不完整的2種。僅占蚜蠅科昆蟲總數(shù)極小的比例，蚜蠅科昆蟲線粒體基因組研究仍有很大的空間。

對這6種蚜蠅科昆蟲線粒體基因組進行比較分析，發(fā)現(xiàn)蚜蠅科昆蟲線粒體基因組包含37個編碼基因(其中包括22個轉(zhuǎn)移RNA基因，13個蛋白編碼基因(PCGs)、2個核糖體RNA基因)和非編碼區(qū)，在堿基組成上具有很強的AT偏向性，未出現(xiàn)基因重排現(xiàn)象以及tRNA基因的二級結(jié)構(gòu)為典型的三葉草結(jié)構(gòu)等，比較符合昆蟲線粒體基因組的特點[26]。

基因重排現(xiàn)象在很多目的昆蟲中都有發(fā)生，例如鱗翅目、半翅目、纓翅目等[28-30]。同樣，在雙翅目中也出現(xiàn)了基因重排，均出現(xiàn)在長角亞目中[26]，例如在蚊科中伊蚊的trnA與trnR發(fā)生重排，形成trnR-trnA[33]，但蚜蠅科目前仍未發(fā)現(xiàn)基因重排現(xiàn)象，這可能與雙翅目昆蟲線粒體基因的保守性有關(guān)[25]，也可能是目前所測得的蚜蠅科昆蟲線粒體基因組的數(shù)據(jù)過少，還不能充分反映該科物種線粒體基因的排列順序。

在密碼子使用方面，絕大多數(shù)線粒體蛋白編碼基因的起始密碼子都是標準的三聯(lián)體ATN，個別蛋白編碼基因使用特殊的起始密碼子如TTG、TGG，研究表明，這種特殊的起始密碼子可以減小基因間隔區(qū)，避免相鄰基因發(fā)生重疊，可轉(zhuǎn)錄成為mRNA后經(jīng)過RNA編輯轉(zhuǎn)換成正常的起始密碼子，然后翻譯成特定的蛋白質(zhì)[34]。終止密碼子為TA和不完整的T，有研究者[35]推測不完整的T會在轉(zhuǎn)錄后通過向mRNA的3′端添加A進行多聚腺苷酸化，進而轉(zhuǎn)化為完整的終止密碼子而完成轉(zhuǎn)錄終止。

本研究結(jié)果支持蚜蠅科的單系性，這與Pu等[14]的研究結(jié)果相同。Li等[15]利用線粒體基因組全序列中所有的蛋白編碼基因?qū)?個物種進行系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果同樣支持了蚜蠅科的單系性，并且蚜蠅科與頭蠅科Pipunculidae是姊妹群關(guān)系。張卓等[36]利用COI～COII序列對4個不同地區(qū)的黑帶蚜蠅種群進行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了遺傳差異并且已經(jīng)具有明顯的遺傳分化。張宏杰等[37]對管蚜蠅族Eristalini的7種蚜蠅Cty b基因序列進行分析，表明管蚜蠅族的4個屬為單系且條胸蚜蠅屬Helophilus和寬盾蚜蠅屬Phytomia的親緣關(guān)系相對較遠。

蚜蠅科昆蟲線粒體基因組全序列已測出的種數(shù)較少，在生物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等方面的分析主要以單個基因或多個基因序列為主導。在系統(tǒng)發(fā)育分析中使用頻率較高的線粒體基因有COI基因、COII基因、Cty b基因等。因此，應重視對蚜蠅科昆蟲線粒體基因組的研究，以期獲得更多的線粒體基因組數(shù)據(jù)來探討蚜蠅科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。