基于基因組規(guī)模數(shù)據(jù)的白蟻系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

宋 南, 王淼淼, 劉小龍, 林興雨, 席玉強(qiáng), 尹新明

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 河南省害蟲(chóng)綠色防控國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 河南省害蟲(chóng)生物防控工程實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450002)

白蟻是地球上最重要的昆蟲(chóng)之一,這類(lèi)昆蟲(chóng)中的某些種類(lèi)因破壞人類(lèi)建筑和家具而聞名。盡管已知的白蟻中只有少數(shù)種類(lèi)會(huì)損壞木材,但這卻使得人們對(duì)白蟻產(chǎn)生恐懼,因?yàn)闆](méi)有其他昆蟲(chóng)會(huì)像白蟻那樣直接攻擊人類(lèi)住所。目前,全世界已知的化石和現(xiàn)存的白蟻物種超過(guò)3 500種(Krishnaetal., 2013; Yadu and Ganguli, 2022)。盡管白蟻的種類(lèi)多樣性水平適中,但它們以其龐大的數(shù)量而聞名,是地球上最成功的陸地生物之一,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響,尤其是在熱帶地區(qū)(Jouquetetal., 2016; Chouvencetal., 2021)。白蟻之所以繁盛主要是因?yàn)樗鼈兙邆湎举|(zhì)纖維素以及在土壤中分解有機(jī)分子的能力(Norkrans, 1963; Dixonetal., 1994)。白蟻是一類(lèi)真社會(huì)性昆蟲(chóng)(eusocial insects),其種類(lèi)豐富度僅次于膜翅目(Hymenoptera)社會(huì)性昆蟲(chóng)(螞蟻、蜜蜂和胡蜂)。對(duì)白蟻和膜翅目社會(huì)性昆蟲(chóng)群居進(jìn)化的比較研究極大地推動(dòng)了人們對(duì)群居行為的認(rèn)識(shí)(Fischmanetal., 2011)。然而,長(zhǎng)期以來(lái),昆蟲(chóng)系統(tǒng)學(xué)家一直對(duì)白蟻的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系存在諸多爭(zhēng)議,這限制了對(duì)其取食、生態(tài)和群落體系等方面的進(jìn)化研究。近期,人們對(duì)白蟻系統(tǒng)發(fā)育的研究興趣有所提升(Lo and Eggleton, 2011)。然而,對(duì)于白蟻科級(jí)類(lèi)群的數(shù)量和它們之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系以及亞科之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,目前尚未達(dá)成一致意見(jiàn)。

目前,昆蟲(chóng)系統(tǒng)學(xué)家已經(jīng)達(dá)成共識(shí):蜚蠊、螳螂和白蟻在系統(tǒng)發(fā)育上是近緣的3個(gè)類(lèi)群(Songetal., 2016; Evangelistaetal., 2019; Wipfleretal., 2019)。根據(jù)McKittrick和Mackerras(1965)的研究,白蟻與蜚蠊目(Blattodea)具有較為密切的親緣關(guān)系。在現(xiàn)存的蜚蠊目中,隱尾蠊科(Cryptoceridae)中的食木蜚蠊Cryptocercuspunctutatus與澳白蟻科(Mastotermitidae)(僅包含1種:達(dá)爾文澳白蟻Mastotermesdarwiniensis)之間存在十分密切的關(guān)系。支持食木蜚蠊與達(dá)爾文澳白蟻具有較為密切親緣關(guān)系的形態(tài)特征包括:兩者具有相似的卵鞘狀卵塊、后翅臂域、前胃結(jié)構(gòu)和生殖器結(jié)構(gòu)等(黃復(fù)生等, 2000)。此外,目前的分子生物學(xué)研究表明,隱尾蠊屬Cryptocercus與整個(gè)白蟻類(lèi)構(gòu)成姐妹群關(guān)系(Evangelistaetal., 2019)。這一研究在一定程度上支持了白蟻起源于蜚蠊的假說(shuō)。Evangelista等(2019)建議設(shè)立Tutricablattae包括隱尾蠊屬和所有白蟻類(lèi)昆蟲(chóng)。由此,白蟻從一個(gè)目[即原先的等翅目(Isoptera)]變成了蜚蠊目中的一個(gè)類(lèi)群。

目前,所有白蟻種類(lèi)被歸于白蟻領(lǐng)科(Termitoidae)。白蟻領(lǐng)科包括9個(gè)現(xiàn)存科,16個(gè)亞科(Engeletal., 2009),大約280個(gè)屬。其中,現(xiàn)存的白蟻領(lǐng)科分別是澳白蟻科(Mastotermitidae)、草白蟻科(Hodotermitidae)、古白蟻科(Archotermopsidae)、胃白蟻科(Stolotermitidae)、木白蟻科(Kalotermitidae)、桿白蟻科(Stylotermitidae)、鼻白蟻科(Rhinotermitidae)、齒白蟻科(Serritermitidae)和白蟻科(Termitidae)(Engeletal., 2009)。澳白蟻科被一致認(rèn)為是現(xiàn)存白蟻中最原始的一支。古白蟻科是(Engeletal., 2009)新建立的一個(gè)科。胃白蟻科包括兩個(gè)屬,即胃白蟻屬Stolotermes和洞白蟻屬Porotermes。木白蟻科是白蟻中較為原始的一支,主要為木棲性白蟻。在以前的研究中,形態(tài)特征與分子序列(線(xiàn)粒體基因cox2和l-rRNA、線(xiàn)粒體基因組、基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及核蛋白質(zhì)編碼單拷貝基因)證據(jù)均支持木白蟻科與新等翅類(lèi)(Neoisoptera)構(gòu)成姐妹群關(guān)系(Thompsonetal., 2000; Inwardetal., 2007; Cameronetal., 2012; Bourguignonetal., 2015; Buceketal., 2019; Evangelistaetal., 2019)。新等翅類(lèi)是一個(gè)單系群,由桿白蟻科、鼻白蟻科、齒白蟻科和白蟻科組成(Engeletal., 2009)。形態(tài)或分子(基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù))研究一致支持桿白蟻科是鼻白蟻科、齒白蟻科和白蟻科的姐妹群(Buceketal., 2019)。但是,鼻白蟻科、齒白蟻科和白蟻科之間的關(guān)系是不明確的。Engel等(2009)將齒白蟻科置于鼻白蟻科與白蟻科之間。一些分析認(rèn)為齒白蟻科是鼻白蟻科和白蟻科的姐妹群(Donovanetal., 2000; Kambhampati and Eggleton, 2000; Thompsonetal., 2000; Legendreetal., 2008)。Bourguignon等(2015)認(rèn)為齒白蟻科與部分鼻白蟻科構(gòu)成姐妹群關(guān)系。相似地,利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育分析也支持齒白蟻科與部分鼻白蟻科具有較近的親緣關(guān)系(Buceketal., 2019)。近期的研究一致認(rèn)為鼻白蟻科是一個(gè)多系群,而白蟻科是一個(gè)單系群(Engeletal., 2009; Cameronetal., 2012; Bourguignonetal., 2015; Buceketal., 2019)。但是,對(duì)于鼻白蟻科被分為多少個(gè)獨(dú)立的支系(Cameronetal., 2012),以及白蟻科內(nèi)各個(gè)亞科之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(Aanenetal., 2002; Inwardetal., 2007; Bourguignonetal., 2015, 2017; Buceketal., 2019)等問(wèn)題,目前還無(wú)定論。

隨著下一代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展,基因組測(cè)序效率已經(jīng)獲得較大提高,同時(shí)測(cè)序成本不斷降低,這為大規(guī)模獲得昆蟲(chóng)的基因組數(shù)據(jù)提供了可能。截止2023年6月,在公共數(shù)據(jù)庫(kù)NCBI中已經(jīng)公布了69種白蟻類(lèi)昆蟲(chóng)的基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。本研究利用從NCBI下載的白蟻轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度全基因組測(cè)序(low-coverage whole-genome sequencing)數(shù)據(jù)構(gòu)建白蟻類(lèi)昆蟲(chóng)的基因組規(guī)模的超級(jí)數(shù)據(jù)矩陣,通過(guò)最大似然法和基于溯祖理論(coalescence-based)的物種樹(shù)(species tree)法重建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),為解決白蟻類(lèi)昆蟲(chóng)科與亞科之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度全基因組序列數(shù)據(jù)單拷貝核基因的篩選

下載61種白蟻的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)和6種白蟻的低覆蓋度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)。這67個(gè)轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度測(cè)序基因組數(shù)據(jù)分別代表了8個(gè)現(xiàn)存的白蟻科級(jí)類(lèi)群,即澳白蟻科(1種)、古白蟻科(1種)、胃白蟻科(1種)、木白蟻科(7種)、桿白蟻科(1種)、齒白蟻科(1種)、鼻白蟻科(20種)和白蟻科(35種)。此外,系統(tǒng)發(fā)育分析還包含了近緣蜚蠊目蜚蠊科(Blattidae) 6個(gè)、輝蠊科(Lamproblattidae) 1個(gè)和隱尾蠊科(Cryptoceridae) 1個(gè)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)作為外群。利用BUSCOv3.0.2(Waterhouseetal., 2018)對(duì)下載的轉(zhuǎn)錄組或低覆蓋度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,并提取單拷貝核基因。具體的生物信息學(xué)步驟參考Zhang等(2019)。對(duì)于轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù),BUSCO評(píng)估均在基因組模式下使用昆蟲(chóng)v10數(shù)據(jù)集(Insecta_odb10)。

1.2 序列比對(duì)和串聯(lián)數(shù)據(jù)矩陣的構(gòu)建

使用MAFFT v7.407(Katoh and Standley, 2013)對(duì)1.1節(jié)獲得的單拷貝核基因核苷酸和氨基酸序列進(jìn)行比對(duì),比對(duì)策略均為L(zhǎng)-INS-I。為了提高比對(duì)結(jié)果的質(zhì)量,我們通過(guò)trimAlv1.4.1(Capella-Gutiérrezetal., 2009)對(duì)比對(duì)結(jié)果中的低質(zhì)量同源區(qū)域進(jìn)行修剪。最后,我們使用FASconCAT-G v1.04 (Kück and Longo, 2014)將所有比對(duì)好的矩陣進(jìn)行串聯(lián)。為了研究序列完整性(即缺失數(shù)據(jù))對(duì)系統(tǒng)發(fā)育重建的影響,我們使用Phykit(Steenwyketal., 2021)生成不同完整性(分別包含50%和25%的缺失數(shù)據(jù))的核苷酸和氨基酸序列數(shù)據(jù)超級(jí)矩陣。最終獲得了6組串聯(lián)超級(jí)數(shù)據(jù)集矩陣,核苷酸序列數(shù)據(jù)集:fna_all, fna_50和fna_75;氨基酸序列數(shù)據(jù)集:faa_all, faa_50和faa_75,分別用于系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建。使用AMAS(Borowiec, 2016)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 系統(tǒng)發(fā)育重建

使用IQ-TREEv2.2.15(Minhetal., 2020)構(gòu)建白蟻的最大似然(maximum likelihood, ML)樹(shù)。核苷酸序列數(shù)據(jù)采用GTR+I+G模型,而氨基酸序列數(shù)據(jù)采用LG模型。每個(gè)ML分析使用ultrafast bootstrapping策略(Minhetal., 2013),進(jìn)行1 000次自舉檢驗(yàn)以獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)支持率。

使用ASTRAL v5.7.1 (Mirarabetal., 2014; Zhangetal., 2018)構(gòu)建白蟻的物種樹(shù),對(duì)氨基酸數(shù)據(jù)集faa_all包含的1 316個(gè)單拷貝核基因序列分別構(gòu)建ML樹(shù),具體參數(shù)同上。然后,將得到的單個(gè)單拷貝核基因序列的ML樹(shù)合并到一個(gè)文件中。最后,利用ASTRAL v5.7.1 (Mirarabetal., 2014; Zhangetal., 2018)綜合這些ML樹(shù),得到物種樹(shù)。

使用IQ-TREEv2.2.15 (Minhetal., 2020)中的Four-cluster Likelihood Mapping(FcLM)(Strimmer and Von Haeseler, 1997; Misofetal., 2014)分析檢測(cè)樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí),FcLM分析顯示了不同數(shù)據(jù)集對(duì)可能的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的支持度。

2 結(jié)果

2.1 白蟻及近緣蜚蠊目昆蟲(chóng)基因組規(guī)模數(shù)據(jù)的核苷酸和氨基酸序列數(shù)據(jù)矩陣

從55種白蟻的轉(zhuǎn)錄組、4種近緣蜚蠊目昆蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組和3種白蟻的低覆蓋度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)中篩選了1 012～1 325個(gè)單拷貝核基因,從5種白蟻和4種近緣蜚蠊目昆蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序以及3種白蟻的低覆蓋度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)中篩選了568～987個(gè)單拷貝核基因,只有北美散白蟻Reticulitermesflavipes轉(zhuǎn)錄組僅包含85個(gè)單拷貝核基因?；谶@些單拷貝核基因構(gòu)建了核苷酸和氨基酸序列數(shù)據(jù)基因組規(guī)模的超級(jí)矩陣,核苷酸序列數(shù)據(jù)集包含了144 294～1 839 525個(gè)位點(diǎn),氨基酸序列數(shù)據(jù)集包含了48 098～613 175個(gè)位點(diǎn)。

2.2 白蟻領(lǐng)科內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

核苷酸序列數(shù)據(jù)集fna_75分析均支持白蟻領(lǐng)科是一個(gè)單系的自然群,且所有數(shù)據(jù)均對(duì)白蟻有顯著的支持[自舉支持率[bootstrap support (BS)=100](圖1)。對(duì)于核苷酸序列數(shù)據(jù),白蟻各科之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系并沒(méi)有受到缺失數(shù)據(jù)的顯著影響,3個(gè)核苷酸序列數(shù)據(jù)集產(chǎn)生了基本相同的科間系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。對(duì)于氨基酸序列數(shù)據(jù),3個(gè)串聯(lián)基因數(shù)據(jù)集中的2個(gè)產(chǎn)生了與核苷酸序列數(shù)據(jù)集基本相同的科間系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。只有氨基酸序列數(shù)據(jù)集faa_50恢復(fù)的科間系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與其他數(shù)據(jù)集的差別較大(圖2)。不同主要在于faa_50恢復(fù)古白蟻科與胃白蟻科構(gòu)成的一支和新等翅類(lèi)構(gòu)成姐妹群關(guān)系,而其他數(shù)據(jù)集都支持木白蟻科和新等翅類(lèi)的姐妹群關(guān)系。利用ASTRAL構(gòu)建的物種樹(shù)支持木白蟻科和新等翅類(lèi)的姐妹群關(guān)系(圖3)。

圖2 最大似然法構(gòu)建的基于核苷酸序列數(shù)據(jù)集fna_all和fna_50以及氨基酸序列數(shù)據(jù)集faa_all,faa_50和faa_75的白蟻領(lǐng)科系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig. 2 Phylogenetic trees of Termitoidae constructed by maximum likelihood method based on the nucleotide sequencedatasets fna_all and fna_50 and the amino acid sequence datasets faa_all, faa_50 and faa_75A: 基于fna_all的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Phylogenetic tree based on fna_all ; B: 基于fna_50的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Phylogenetic tree based on fna_50 ; C: 基于faa_all的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Phylogenetic tree based on faa_all ; D: 基于faa_50的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Phylogenetic tree based on faa_50; E: 基于faa_75的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Phylogenetic tree based on faa_75. 為了清晰地顯示白蟻領(lǐng)科內(nèi)高階元類(lèi)群之間的關(guān)系,一些亞科或科的支系被合并。合并后支系的長(zhǎng)度取決于其中最長(zhǎng)的一支的長(zhǎng)度。In order to clearly display the relationships among higher-level taxa within Termitoidae, the lineages corresponding to some subfamilies or families were collapsed. The length of the collapsed linegae is determined by the length of the longest branch within it.

圖3 最大似然法構(gòu)建的利用ASTRAL總結(jié)氨基酸數(shù)據(jù)集faa_all包含的每個(gè)標(biāo)記的白蟻領(lǐng)科的物種樹(shù)Fig. 3 Species tree of Termitoidae based on each marker of the amino acid dataset faa_all summarized by ASTRAL constructed using maximum likelihood method分支節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值代表本地后驗(yàn)概率。Numbers at nodes show the local posterior probabilities.

在單系的白蟻領(lǐng)科中,澳白蟻科是所有其他白蟻領(lǐng)科的姐妹群。在本研究中,所有分析支持古白蟻科與胃白蟻科互為姐妹群關(guān)系,并且多數(shù)分析(除去基于faa_50構(gòu)建的ML樹(shù)之外的所有分析)都支持兩者共同組成白蟻領(lǐng)科中的第2個(gè)分支。

木白蟻科也是白蟻中相對(duì)古老的一支,其系統(tǒng)發(fā)育位置在古白蟻科與胃白蟻科之后。木白蟻科的單系性得到了所有分析的支持。6個(gè)串聯(lián)基因序列的超級(jí)矩陣對(duì)木白蟻科都產(chǎn)生了100的自舉檢驗(yàn)值。在木白蟻科中,本研究包含的7個(gè)種代表了6個(gè)亞科。其中,雙裂白蟻亞科(Bifiditermitinae)包含兩個(gè)種。只有fna_75和faa_75這2個(gè)數(shù)據(jù)集支持雙裂白蟻亞科為單系群,在其他4個(gè)基于串聯(lián)基因序列的超級(jí)矩陣的ML分析中,Epicalotermeskempae與楹白蟻亞科(Incisitermitinae)構(gòu)成姐妹群關(guān)系,這使得雙裂白蟻亞科成為一個(gè)并系群。在基于6個(gè)串聯(lián)基因數(shù)據(jù)集的FcLM分析中,3個(gè)數(shù)據(jù)集(fna_all, fna_75和faa_50)支持雙裂白蟻亞科為單系群;另外3個(gè)數(shù)據(jù)集(fna_50, faa_all和faa_75)既不支持雙裂白蟻亞科的單系性,也不支持Epicalotermeskempae與楹白蟻亞科的姐妹群關(guān)系。

木白蟻科與新等翅類(lèi)構(gòu)成了姐妹群關(guān)系。所有分析都強(qiáng)烈支持新等翅類(lèi)的單系性,BS=100。在本研究中,桿白蟻科、鼻白蟻科、齒白蟻科和白蟻科代表了新等翅類(lèi),其中,桿白蟻科被恢復(fù)為所有其他新等翅類(lèi)的姐妹群,BS=100。齒白蟻科也是新等翅類(lèi)中相對(duì)原始的一支。所有分析支持齒白蟻與具眼舌白蟻Glossotermesoculatus構(gòu)成姐妹群關(guān)系(BS=100)。

鼻白蟻科是一個(gè)多系群。本研究包含了鼻白蟻科中的5個(gè)亞科。其中,由鼻白蟻屬Rhinotermes和長(zhǎng)鼻白蟻屬Schedorhinotermes構(gòu)成的一支占據(jù)了相對(duì)原始的位置。在faa_50, fna_all和fna_50的3個(gè)ML分析中,寡脈白蟻亞科(Termitogetoninae)和原鼻白蟻亞科(Prorhinoterminae)構(gòu)成了另一支姐妹群。但是在其他3個(gè)ML分析(圖1:fna_75; 圖2:faa_all和faa_75)中寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科分別構(gòu)成獨(dú)立的分支。FcLM分析不支持寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科的姐妹群關(guān)系;相比較,基于數(shù)據(jù)集fna_75和faa_75的FcLM分析支持寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科分別構(gòu)成獨(dú)立的分支(圖4)。此外,物種樹(shù)分析也恢復(fù)寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科處于兩個(gè)獨(dú)立的分支(圖3)。因此,寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科分別成為獨(dú)立的支系可能是其進(jìn)化關(guān)系的真實(shí)體現(xiàn)。異白蟻亞科(Heterotermitinae)和乳白蟻亞科(Coptotermitinae)始終聚在同一支上。但是,考慮到乳白蟻屬Coptotermes與部分異白蟻屬Heterotermes的姐妹群關(guān)系,異白蟻亞科是非單系的。

圖4 對(duì)于寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科的系統(tǒng)發(fā)育位置基于不同數(shù)據(jù)集進(jìn)行的FcLM分析Fig. 4 FcLM analyses for the phylogenetic placements of Termitogetoninae and Prorhinoterminae based on various datasetsA: 有關(guān)寡脈白蟻亞科和原鼻白蟻亞科的系統(tǒng)發(fā)育位置的假設(shè)Hypotheses on the phylogenetic placements of Termitogetoninae and Prorhinoterminae; B: 基于faa_all的FcLM分析結(jié)果Results of the FcLM analysis based on faa_all; C: 基于faa_50的FcLM分析結(jié)果Results of the FcLM analysis based on faa_50; D: 基于faa_75的FcLM分析結(jié)果Results of the FcLM analysis based on faa_75; E: 基于fna_all的FcLM分析結(jié)果Results of the FcLM analysis based on fna_all; F: 基于fna_50的FcLM分析結(jié)果Results of the FcLM analysis based on fna_50; G: 基于fna_75的FcLM分析結(jié)果Results of the FcLM analysis based on fna_75.

在白蟻科中, 4個(gè)數(shù)據(jù)集即fna_all, fna_50, fna_75和faa_all,支持大白蟻亞科(Macrotermitinae)是白蟻科內(nèi)所有其他亞科的姐妹群,即它是白蟻科內(nèi)最原始的一支,支持聚白蟻亞科(Syntermitinae)是白蟻科內(nèi)相對(duì)進(jìn)化的一支。本研究中代表尖白蟻亞科(Apicotermitinae)的6個(gè)種組成了白蟻科的第2分支,并且尖白蟻亞科被所有分析支持為單系群。聚白蟻亞科和象白蟻亞科(Nasutitermitinae)也是單系群,并且互為姐妹群。在所有基于串聯(lián)基因數(shù)據(jù)矩陣的ML分析中,白蟻亞科(Termitinae)是非單系的。但是,物種樹(shù)分析恢復(fù)白蟻亞科為單系群,盡管這個(gè)結(jié)論沒(méi)有收到顯著的統(tǒng)計(jì)支持(PP = 0.41)。

3 討論

本研究對(duì)67種白蟻的轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)基因組分析,構(gòu)建的基因組數(shù)據(jù)矩陣主要包括核苷酸序列與氨基酸序列兩類(lèi)。此外,本研究分析了不同完整性數(shù)據(jù)矩陣(即缺失數(shù)據(jù))對(duì)白蟻領(lǐng)科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建的影響。除了使用串聯(lián)基因序列構(gòu)建超級(jí)矩陣分析系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,本研究還采用基于溯祖理論的物種樹(shù)法構(gòu)建白蟻領(lǐng)科系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系。結(jié)果表明,不同的數(shù)據(jù)集和不同的分析方法產(chǎn)生了基本相同的科級(jí)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(圖1-3);并且,基部主要類(lèi)群間的關(guān)系均受到顯著的統(tǒng)計(jì)支持(BS>95) (圖1-3)。與之前關(guān)于白蟻系統(tǒng)發(fā)育的研究相比較,本研究重建的白蟻領(lǐng)科內(nèi)8個(gè)科之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與Bucek等(2019)的研究結(jié)果是一致的。這可能是因?yàn)楸狙芯颗cBucek等(2019)的取樣數(shù)據(jù)有很大重疊。然而,本研究的分析方法與Bucek等(2019)的方法并不完全相同。Bucek等(2019)使用BUSCO對(duì)轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度基因組的測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性評(píng)估,并選擇了3種蜚蠊目昆蟲(chóng)的完全蛋白組作為參考。他們使用OMA(Altenhoffetal., 2015)和OrthoDB(Kriventsevaetal., 2015)兩種推斷方法預(yù)測(cè)參考的直系同源基因組,在OMA的推斷中得到2 981個(gè)單拷貝直系同源基因,而在OrthoDB的推斷中得到4 065個(gè)單拷貝直系同源基因?；谶@些參考直系同源基因組,利用Orthograph (Petersenetal., 2017)中的最佳互補(bǔ)搜索策略預(yù)測(cè)每個(gè)轉(zhuǎn)錄組和低覆蓋度基因組的直系同源基因。最后,Bucek等(2019)基于比對(duì)的核苷酸序列矩陣構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。本研究也使用BUSCO進(jìn)行基因組規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性評(píng)估,但是我們使用BLAST(Altschuletal., 1990)和HMMER(Finnetal., 2011; El-Gebalietal., 2019)進(jìn)行單拷貝核基因的預(yù)測(cè)。其中,使用BLAST進(jìn)行核苷酸序列比對(duì),使用HMMER進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)域的評(píng)估,并基于OrthoDB數(shù)據(jù)庫(kù)中的Insecta_odb10提取每個(gè)物種的單拷貝直系同源基因。兩個(gè)研究在單拷核基因的抽取時(shí)使用了不同的參考。盡管抽取步驟不同,但兩個(gè)研究的數(shù)據(jù)來(lái)源都是核單拷貝直系同源基因。因此,兩個(gè)數(shù)據(jù)的本質(zhì)仍然是相同的,這也是兩者分析結(jié)果基本一致的原因之一。另一個(gè)不同之處是:我們的分析不僅使用了核苷酸序列矩陣,還使用了氨基酸序列矩陣。在我們的分析中,兩類(lèi)數(shù)據(jù)所得到的結(jié)果大致一致,這也再次證實(shí)了基因組規(guī)模數(shù)據(jù)在重建白蟻的高級(jí)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系中的穩(wěn)定性。

Eggleton(2001)在前人的研究基礎(chǔ)上提出了一個(gè)關(guān)于白蟻科之間關(guān)系的合意樹(shù)。該研究認(rèn)為澳白蟻科是所有白蟻中最原始的一支,其次是古白蟻科的一部分;而古白蟻科的另一部分與草白蟻科構(gòu)成姐妹群關(guān)系。因此,Eggleton(2001)認(rèn)為古白蟻科是一個(gè)并系群。胃白蟻科與鼻白蟻科(包括齒白蟻科)和白蟻科是姐妹群關(guān)系,其中鼻白蟻科是一個(gè)多系群。本研究支持澳白蟻科在整個(gè)白蟻領(lǐng)科中的最基部的位置,并恢復(fù)古白蟻科是僅次于澳白蟻科的第二古老的白蟻類(lèi)群。在我們的分析中,所有數(shù)據(jù)集和分析都支持古白蟻科中的動(dòng)白蟻屬Zootermopsis和胃白蟻科中的洞白蟻屬Porotermes的代表種的聚類(lèi)(圖1-3)。然而,由于缺乏古白蟻科的其他兩個(gè)屬(即古白蟻屬和原白蟻屬)的數(shù)據(jù),并且未包含草白蟻科的基因組規(guī)模數(shù)據(jù),本研究無(wú)法確定古白蟻科的單系性和草白蟻科的系統(tǒng)發(fā)育地位。因此,在未來(lái)的研究中,作者將努力對(duì)古白蟻科和草白蟻科的物種進(jìn)行采樣、以及基因組測(cè)序和系統(tǒng)基因組分析,以填補(bǔ)當(dāng)前研究的空白。

在本研究中,木白蟻科始終被支持為單系群(圖1-3)。在木白蟻科中,除了楹白蟻亞科,其他5個(gè)木白蟻亞科的支序順序與Bucek等(2019)的分析結(jié)果是相同的。Bucek等(2019)的分析沒(méi)有包含楹白蟻亞科。在本研究中,基于4個(gè)數(shù)據(jù)組(fna_all, fna_50, faa_all和faa_50)構(gòu)建的ML樹(shù)恢復(fù)雙裂白蟻亞科是一個(gè)并系。但是,基于fna_75(圖1)和faa_75(圖2)兩個(gè)數(shù)據(jù)集構(gòu)建的ML樹(shù)、ASTRAL構(gòu)建的物種樹(shù)(圖3)以及3個(gè)FcLM分析支持雙裂白蟻亞科是一個(gè)單系群。我們的研究支持木白蟻科與新等翅類(lèi)的姐妹群關(guān)系,這與之前的研究結(jié)果(Engeletal., 2009; Wareetal., 2010; Lo and Eggleton, 2011; Cameronetal., 2012; Buceketal., 2019)一致。

桿白蟻科始終被恢復(fù)為其他新等翅類(lèi)白蟻的姐妹群,而齒白蟻科和鼻白蟻科中的具眼舌白蟻構(gòu)成姐妹群關(guān)系(圖1-3)。這些關(guān)系與Bucek等(2019)的研究結(jié)果一致。然而,鼻白蟻科被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)多系群。過(guò)去的分析也支持鼻白蟻科為非單系群(Inwardetal., 2007; Engeletal., 2009; Wareetal., 2010; Lo and Eggleton, 2011; Cameronetal., 2012; Buceketal., 2019),因此我們的研究再次證實(shí)了鼻白蟻科不是一個(gè)自然群,需要進(jìn)行分類(lèi)調(diào)整。

通過(guò)分子鑒定,我們發(fā)現(xiàn)Coptotermessp. AD-2015(GDUG01)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中存在鑒定錯(cuò)誤,導(dǎo)致了錯(cuò)誤的物種命名。我們利用近緣白蟻的線(xiàn)粒體cox1基因作為參考,通過(guò)對(duì)下載的乳白蟻屬Coptotermessp. AD-2015(GDUG01)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行blast比對(duì),發(fā)現(xiàn)GDUG01的線(xiàn)粒體cox1基因與大胸胸白蟻Thoracotermesmacrothorax(白蟻科, 白蟻亞科, 方白蟻Cubitermesgroup)的cox1具有97.54%的相似度。因此,我們將Coptotermessp. AD-2015更改為T(mén)horacotermessp.。在這種情況下,白蟻科被支持為一個(gè)單系群。在以前的分析中,白蟻科一直被認(rèn)為是一個(gè)自然群(Engeletal., 2009; Cameronetal., 2012; Buceketal., 2019)。在白蟻科內(nèi)部,白蟻亞科被發(fā)現(xiàn)是非單系的(圖1-2),這與以前的研究結(jié)果(Bourguignonetal., 2015; Buceketal., 2019)一致。然而,各個(gè)亞科之間的關(guān)系并不確定。因此,關(guān)于白蟻科內(nèi)部各類(lèi)群之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系還需要更多數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究。