五倍子蚜与第一寄主植物和内共生菌分子系统发育及协同进化

The three groups of Rhus gall aphids-the primary host-plant-endosymbiont Buchnera have formed a stable and unique co-evolutionary system and aphids live obligately on Rhus to induce the valuable galls-wubeizi. We here propose to employ the next-generation genome skimming to assemble and annotate the complete genome of aphid's mitochondrion, host plant's chloroplast and Buchnera, and at least 20 aphid's nuclear genes. Combining the genome sequences from GenBank, the size, organization, structure of these genomes in high level will be compared and analyzed, especially the evolutionary implication of the loss of the aphid repeat region and tRNA, and the protein coding region of Buchnera. The MP, ML and BI phylogeny of aphids, host-plant and endosymbiont will be reconstructed to resolve the classification relationship of aphid and Rhus taxa as well as the morphological characteristics. In addition, we will estimate the divergence time of aphids, Rhus species and Buchnera to explore the co-evolution of the aphids, host plants, and aphid’s endosymbiotic bacteria Buchnera, and further to examine the effect of host-plant to the genome evolution of aphids and endosymbiont Buchnera.

五倍子蚜与寄主植物和内共生菌Buchnera已经形成稳定的自然生物系统，其在第一寄主植物Rhus上可形成具有重要经济价值的虫瘿—五倍子。本项目拟采用高通量二代测序Genome Skimming方法获得五倍子蚜mtDNA、寄主植物cpDNA和Buchnera全基因组序列及倍蚜20多个核基因序列；GenBank下载相应序列，分别对三者的基因组进行高级阶元水平比较，分析基因组组成和结构变异，特别是蚜虫mtDNA基因组中的重复区和部分tRNA以及Buchnera基因组的基因获得和丢失等；采用MP、ML和MrBayes方法分别重建蚜虫、寄主植物和Buchnera的系统发育关系并估计分歧时间，结合形态特征分析澄清五倍子蚜种类间的系统发育关系及部分种的归属，探讨蚜虫与寄主植物和Buchnera间的协同进化模式及进化机制，分析寄主植物对蚜虫和Buchnera基因组进化的影响。

五倍子蚜与寄主植物和内共生菌Buchnera之间已经形成稳定的自然生物系统，是生物界协同进化研究较好的模式系统。本项目通过高通量二代测序技术分别获得五倍子蚜mtDNA和部分核基因、寄主植物cpDNA和内共生菌Buchnera全基因组数据，联合GenBank物种相应序列数据，分别对三者的基因序列进行不同阶元水平比较，分析其基本结构与组成；分别构建三者的系统发育和进化关系并估计分歧时间，澄清了倍蚜、盐肤木属寄主植物和Buchnera属间和种间系统发育关系，解决了属种间亲缘关系和部分类群的的界定问题；证明五倍子蚜北美单一属Melaphis起源于东亚，且倍蚜与其寄主植物在始新世可能通过白令海峡大陆桥进行迁移，白令海峡大陆桥的断裂也是造成目前五倍子蚜与其寄主植物东亚北美间断分布地理格局的主要原因；通过系统发育关系相关性检验，发现五倍子蚜与其第一寄主植物和内共生菌Buchnera关系的显著一致性，说明五倍子蚜与其第一寄主植物间明显的协同进化关系，和与其内共生菌Buchnera的平行进化模式；研究了角倍和肚倍虫瘿形态特征与其致瘿蚜线粒体基因相关性，证实同种致瘿蚜可形成多样性的虫瘿形态特征。同时，通过三代高通量测序技术获得了角倍蚜染色体水平全基因组序列，分析了角倍蚜与近缘物种的分歧时间与进化历史，并对其转座子和解毒基因深入挖掘，为进一步研究五倍子的形成和功能机制等提供了全面的信息、分子数据和候选基因。此外，测定了五倍子蚜的第二寄主植物苔藓基因组序列，拼接得到叶绿体全基因组，详细分析其基本结构特征，重建第二寄主植物苔藓类群藓纲系统发育关系，与倍蚜系统发育关系进行相关性检验，发现二者之间一定的协同进化关系，因倍蚜与第二寄主植物的特异性不强，本研究进行了初步的关系探讨，进一步的二者之间的关系研究需要结合更多的因子进行。