蚧虫内共生菌Flavobacteria多样性及其与寄主的进化关系

Scale insects have a close mutually beneficial relationship with their endosymbionts Flavobacteria, which provide scale insects with essential amino acids. Their nutrition metabolism pathways are observed complementary. In previous studies, Flavobacteria have been found in six families of scale insects, only a small fraction of scale insect lineages. Considering there are 34 families of scale insects, the diversity and distribution of Flavobacteria among different scale insect lineages are still awaited to be investigated. In addition, the parallelism hypothesis is often used to explain how the complicated evolutionary relationships between insects and endosymbionts have evolved. However, the parallelism hypothesis was not definitely confirmed, due to it depended on limited sampling in many studies. Based on wide sampling and usage of multiple genes, this program aims to investigate the pattern of of Flavobacteria diversity, and to construct and analyze phylogenies of scale insects and Flavobacteria in order to reveal their evolutionary relationships. The results will not only contribute to increasing the understanding of adaptive evolution of scale insects and the evolutionary relationships of scale insect-endosymbiont system, but also offering insights into more reasonable hypotheses on the evolution of symbiosis.

蚧虫与其体内一类内共生菌Flavobacteria有紧密的联系，研究显示Flavobacteria为蚧虫的正常生长发育提供必需氨基酸，二者具有营养代谢互补性。目前已在蚧虫的六个科中发现该类内共生菌，然而Flavobacteria在蚧虫（蚧总科34个科）不同支系中的多样性及分布情况仍不清晰。另外，常用于解释昆虫寄主与内共生菌系统进化关系的平行演化假说的提出往往基于较少的类群和数据，存在先天的取样缺陷，因此该假说需要来自更多昆虫类群证据的检验。本项目将基于广泛取样和多基因标记，力图揭示Flavobacteria在蚧虫中的多样性格局，通过构建和分析二者的系统进化树，尝试阐明蚧虫和Flavobacteria的系统进化关系。这些工作将有助于更深入的理解蚧虫适应进化以及其与内共生菌Flavobacteria的关系，也为理解物种间共生关系演化的普遍性问题提供新的证据。

1. 黄杆菌纲Flavobacteria中的一些细菌是蚧虫的重要的共生菌。Flavobacteria存在于蚧科、盾蚧科、泡粉蚧科、球链蚧科、绵蚧科以及粉蚧科中，并被确认是盾蚧科的初级共生菌。然而Flavobacteria在蚧虫中的研究非常的缺乏，与蚧虫寄主的进化关系仍处未知。特别的，作为蚧虫第三大科蚧科，目前仅有3条蚧科物种的Flavobacteria序列。为进一步探究Flavobacteria在蚧科物种中的多样性格局，探讨Flavobacteria与其寄主蚧虫之间的进化关系，确认蚧科的初级菌是否为Flavobacteria，开展了本项研究工作。.2. 使用Flavobacteria的16S特异性引物扩增蚧科Flavobacteria成功率低，28种蚧科物种中，只有7个物种获得了Flavobacteria的16S序列。基于16S基因构建Flavobacteria系统发育树与基于COI基因构建的蚧虫寄主系统发育树拓扑结构只部分一致,暗示二者间存在比较宽松的进化关系；2）细菌16S多样性检测没有发现任何一种细菌在所测28种蚧科物种中占有优势地位，Flavobacteria并不广泛存在于蚧科物种中，且丰富度均低于<10%；3）真菌ITS多样性检测结果发现Ophiocordyceps在所测30种蚧科物种中占优势地位，有28个物种相对丰富度均超过50%，Ophiocordyceps可能为蚧科初级共生真菌；4）FISH荧光定位技术展示柠檬形状的共生真菌Ophiocordyceps主要存在于日本龟蜡蚧血淋巴中。.3. 明确了Flavobacteria在蚧虫中并不是普遍存在的，特别是在蚧科中。Flavobacteria在蚧科蚧虫中的进化历程可能需要从高科级阶元上去进一步讨论。我们的研究展示了Flavobacteria与蚧虫的进化关系比较宽松，在蚧科这一分支存在丢失事件。一种可能性为共生真菌Ophiocordyceps在进化中取代了Flavobacteria在宿主中的功能，逐渐在蚧科蚧虫中获得了优势地位。本研究为进一步了解Flavobacteria在蚧虫中的分布情况，明确蚧科初级共生菌，阐明共生菌与蚧虫的进化关系提供了新的视角。