猎蝽科线粒体基因组学及主要类群高级阶元系统发育研究

With roughly 7000 described species in 25 subfamilies, Reduviidae, the assassin bugs, are the third largest family within the order Hemiptera. The great majority of assassin bugs prey on other arthropods and are the natural enemies of many insect pests. Several species in the subfamily Triatominae feed on human blood as vectors of Chagas disease and are the worldwide medical pests. Assassin bugs have complex morphological characters and biological habits, and the diversification of subfamilies is the highest in the suborder Heteroptera. With diverse organization of mitochondrial genomes found in the recent studies, these insects play an important role in the study of the evolution of mitochondrial gene rearrangement. The high-level phylogeny of the Reduviidae have been debated for over two centuries and lacking a comprehensive evolutionary framework drastically impedes the relative studies. In this project, we propose to explore the diversity of mitochondrial genomic organization of Reduviidae with large-scale taxon sampling and the use of next-generation sequencing technology; and reconstruct the high-level phylogeny and evolutionary history of the major lineages in Reduviidae based on the mitochondrial genome sequences. Combined with methods from the comparative genomics, bioinformatics and cladistics, we will analyze the evolutionary pattern of assassin bug mitochondrial genomes and discuss the mechanism of gene rearrangement. The results will help to better understand the evolution of insect mitochondrial genomes and the origin and evolutionary history of the Reduviidae, and also provide both theoretical and practical significance for conservation and utilization of important natural enemies.

猎蝽科是半翅目第三大科，已知约25亚科近7000种，多为捕食性种类，是许多重要农林害虫的天敌；部分锥猎蝽叮人吸血，转播查加斯病，是重要的世界性卫生害虫。猎蝽形态特征和生物学习性复杂，亚科分化程度居异翅亚目之首；近期的研究表明其线粒体基因组结构具有丰富的多样性，是研究线粒体基因重排进化的重要类群。该科高级阶元的分类系统已争议近两个多世纪，至今仍存在不同的观点；缺乏对其高级阶元进化关系的全面认知与共识。本项目拟利用高通量测序方法对猎蝽主要亚科进行线粒体基因组测序，揭示其线粒体基因组结构的多样性；基于线粒体基因组序列，重建其高级阶元的系统发育关系和进化历史。在该进化框架下，通过比较基因组学、生物信息学及支序分类学的方法，分析猎蝽线粒体基因组的进化方式，探讨基因重排的机制。研究结果将有助于理解昆虫线粒体基因组的进化及猎蝽科昆虫的起源和演化，对重要天敌多样性的保护利用有重要的理论和实践意义。

猎蝽科是半翅目第三大科，已知约25亚科近7000种，多为捕食性种类，是许多重要农林害虫的天敌；部分锥猎蝽叮人吸血，转播查加斯病，是重要的世界性卫生害虫。该科线粒体基因组结构具有丰富的多样性，其分类系统已争议近两个多世纪，缺乏对其高级阶元进化关系的全面认知与共识。本项目利用高通量测序方法完成了猎蝽总科粗股猎蝽科2种，猎蝽科22亚科132属220余种，以及刺猎蝽属5种254个体线粒体基因组的测定。比较基因组学研究的结果表明，猎蝽线粒体基因重排方式主要是tRNA基因的重排，位于5个重排热点区域，绝大多数基因重排方式都可通过串联重复-随机丢失（TDRL）模型解释。系统发育分析的结果肯定了瘤猎蝽复合体与“高等猎蝽”、细足猎蝽亚科与锥猎蝽亚科的姊妹群关系，光猎蝽亚科、蚊猎蝽亚科、猎蝽亚科、飒猎蝽亚科、策猎蝽亚科为非单系群，并且首次为单室猎蝽亚科、角头猎蝽亚科等类群的分类地位提供了分子系统学证据。基于高级阶元的进化框架，我们发现猎蝽科进化过程中发生数次独立的tRNA基因重排事件，在高级阶元间没有明显的关联性，支持部分学者提出的选择中性假说。此外，本项目还从物种和群体水平解析了刺猎蝽属等东亚分布代表性物种相似的种群遗传结构和进化历史，以及我国西南山区作为东亚分布猎蝽物种起源地和冰期避难所的重要地位，同时肯定了线粒体基因组在解析近期分化物种的物种形成、谱系分化、入侵溯源等研究中的重要价值。本项目是首次基于大尺度物种取样开展的猎蝽线粒体基因组学和系统发育研究，明确了该类群线粒体基因组结构多样性和进化规律，为进一步揭示其物种多样性形成机制奠定了基础，对重要天敌多样性的保护利用有重要的理论和实践意义。