基于线粒体全基因组的叉虫责总科系统发育研究

Nemouroidea has important phylogeny status and ecological importance, is an important group of study on the evolution and phylogeny of Plecoptera. Approximately 1,400 described species in 5 families are presented known worldwide, more than the total number of Plecoptera 1/3. The classification of Plecoptera at higher-level is controversial at present. In addition, the relationship of high level among Nemouroidea is debated. In particular, the relationship between Nemouroidae and Notonemouridae, as well as Capniidae and Leuctridae should be further studied. Previous phylogenetic studies of Nemouroidea are mainly based on the traditional morphological classification or a few gene sequences of molecular biology. The researches by using mitochondrial genomic data of Nemouroidea are limited, with only 7 species of Nemouroidea being sequenced and analysised to date. We try to sequence the mitochondrial genomes of representatives of Nemouroidea insects, and analyze the characteristics of mitochondrial genome data. We also select suitable evolutionary models and the construction methods of evolutionary tree to reconstruct the phylogeny of Nemouroidea. Based on the systematic fossil records and the molecular clock, we want to estimate the divergence time of the main branches of Nemouroidea. Finally, we will verify the origin and evolution model of Nemouroidea insects.

叉虫责总科昆虫已知5科1400余种，超过襀翅目总数的1/3，具有重要的系统地位及生态重要性，是研究襀翅目昆虫进化及系统发育的重要类群。目前襀翅目高级阶元分类尚存争议，而叉虫责总科高级阶元的系统发育关系也存在不同观点，特别是叉虫责科与背虫责科、黑虫责科与卷虫责科关系等问题都需进一步研究。这些观点主要基于传统形态分类或是少量基因片段的分子系统学的研究，利用线粒体全基因组水平的研究相对较少。目前仅有7种叉虫责总科昆虫的线粒体全基因组被测序分析，利用线粒体全基因组对叉虫责总科高级阶元系统发育关系的研究则未见报道。本项目拟对叉虫责总科代表种的线粒体基因组序列进行测定，结合襀翅目已有数据，分析其线粒体基因组数据的特点，筛选合适的进化模型与进化树构建方法，重建叉虫责总科系统发育关系；系统整理相关化石资料，结合分子钟方法，推算该总科主要进化分支的进化分歧时间，探讨叉虫责总科昆虫的起源与演化模式。

针对叉虫责总科昆虫已测线粒体全基因组较少的问题，同时为研究叉虫责总科昆虫的线粒体基因组的多样性和结构特点，以及该类群内部系统发育关系和分歧时间。本项目以叉虫责总科5个科至少25个代表性种类为研究对象，采用高通量测序及传统步移法相结合的方法，对该类群的代表种类进行线粒体基因组测定分析，并且综合采用系统进化法、基因组学法等多种方法来研究叉虫责总科的系统发育关系及主要类群的分歧时间和起源演化。主要结果如下：（1）倍叉虫责亚科昆虫的线粒体基因组在15,642 bp到15,876 bp之间。基因组的大小主要由非编码区的数量及大小决定；完整的线粒体基因组为环状闭合双链DNA，未发生重排现象；（2）基因组均呈现明显的AT偏向性，碱基组成的AT含量范围在66.3%到70.9%之间；（3）蛋白质编码基因的起始和终止密码子为常见密码子，少数蛋白编码基因中发现特殊的起始密码子，TTG和GTG和不完整的终止密码子。所有PCG的Ka/Ks比值均小于0.3，暗示着这些基因正处于纯化选择进化中；（4）除S1外, tRNA均呈现三叶草二级结构。tRNA二级结构茎和环的核苷酸相对的保守（>70%）。lrRNA的结构域IV和V要比结构域I，II和VI更为保守。srRNA中，最保守的是结构域III；（5）控制区发现一些结构元素：相对保守的poly-T结构；串联重复区域；茎环结构（SL）；poly-N结构包括poly-T和poly-A等；（6）倍叉虫责亚科的系统发育关系为：倍叉虫责属 +（原叉虫责属+（印叉虫责属+（球尾叉虫责属+中叉虫责属）））；叉虫责科的系统发育关系为：（倍叉虫责属+叉虫责属）+（原叉虫责属+（印叉虫责属+（球尾叉虫责属+中叉虫责属）））。真颚组的系统发育关系为：（（（叉虫责科+背虫责科）+（带虫责科+黑虫责科））+裸虫责科）+卷虫责科。从中可以看出叉虫责科和背虫责科是姊妹群，带虫责科和黑虫责科是姊妹群。（7）叉虫责总科昆虫起源时间大约为171.85百万年前的侏罗纪时期。各科的分歧时间大约为白垩纪时期。