直翅目昆虫线粒体基因组的进化型式和速率以及与飞行能力和生态型关系的研究

为了准确估计昆虫线粒体基因组在DNA和蛋白质水平上的进化型式和速率以及与飞行能力和生态型之间的关系，从4个分类阶元水平（种间、属间、科间和亚目间）的不同翅型（长翅型、短翅型和无翅型）和生态型（地栖型、草栖型和树栖型）的直翅目昆虫中选择15种进行线粒体全基因组的测序，联合已有的25种直翅目线粒体基因组数据，构建40种直翅目昆虫稳健的系统树并进行分子定时，在此基础上准确估计昆虫线粒体DNA的替换型式和各种替换类型（包括DNA和蛋白质2个水平的不同基因、不同密码子位点、同义替换和非同义替换、转换和颠换等）的绝对及相对替换速率，并采用PAML和HyPhy软件包中执行的位点和/或进化枝速率异质性进化模型，通过系统树与数据集之间拟合的似然率检验进化型式和进化速率与飞行能力和生态型之间有无显著的相关性。研究获得的昆虫线粒体基因组进化型式和绝对及相对替换速率对分子进化和谱系基因组学有重要意义。

采用长距PCR扩增的线粒体DNA经PCR步移法并结合克隆测序策略，测定并分析了19种直翅目昆虫的线粒体基因组，将目前测出的全部50种直翅目昆虫的线粒体基因组数据划分成四个数据集，使用最大简约法、最大似然法和贝叶斯推论法构建了MP树、ML树和BI树。最后，根据翅的长短或有无和生态型特征将这50种昆虫分别划分成长翅型、短翅型和无翅型以及树栖型、草栖型和地栖型，使用PAML4.4软件计算了50种昆虫13个蛋白编码基因和联合数据集各自的同义替换速率、非同义替换速率以及同义替换与非同义替换的比值。项目研究取得了以下一些重要的结果：.（1）通过对新测定的19种直翅目昆虫的线粒体基因组的全面分析，揭示了这19种直翅目昆虫线粒体基因组的组织结构及序列特征，构建了其16S和12S rRNA以及22种tRNA的二级结构。.（2）通过对12棵系统树的分析发现三种方法构建的系统树基本上相同，仅有个别差异，BI树与ML树最相似。线粒体谱系基因组学分析显示所有系统树都将蝗亚目昆虫单独聚成一支，大部分系统树将螽亚目昆虫单独聚在一起，另外有些系统树将螽斯总科的8种昆虫和32种蝗总科昆虫各自聚成一支，基本上支持它们的单系性。37个基因的联合数据集与13个蛋白编码基因的联合数据集适合于构建高级阶元和低级阶元之间的系统树，而tRNA和rRNA数据集只适合于构建高级阶元之间的系统树。.（3）通过对3组种不同翅型昆虫同义替换与非同义替换比值的研究，发现无翅型昆虫的dN/dS均值比短翅型昆虫高29.8%(p=0.249)，短翅型昆虫的dN/dS均值比长翅型昆虫高16.8%（p=0.326），无翅型昆虫的dN/dS均值比长翅型昆虫高51.6%（p=0.016），显示无翅型昆虫比长翅型昆虫积累了更多的非同义突变，并且达到了统计学上的显著性水平；对不同生态昆虫的同义替换与非同义替换比值的研究发现草栖型昆虫和地栖型昆虫比树栖型昆虫积累了较多的非同义替换，并且所有昆虫的dN/dS比值均小于1，显示不同翅型的昆虫或不同生态型的昆虫都经历了不同的选择压力，50种昆虫的线粒体DNA进化并非是中性的。.