半翅目关键类群线粒体基因组及高级阶元的系统发育研究

Hemiptera （s. l.） is the largest order in the incomplete metamorphism insects and the fifth largest in Insecta. Mostly they are agricultural and medical pests, such as aphids, scales, whiteflies, psyllids, planthoppers, leafhoppers, mirids, bed bugs, triatomine bugs and so on. Others are beneficial bugs, such as lac insects, Melaphis spp., most assassin bugs, damsel bugs, anthocorids and so on. These insects play an important role in agriculture and our daily life. The higher phylogeny of this order was reconstructed mainly based on morphological characters or few molecular markers and there are no uniform opinion on the phylogeny and evolution of this order during past century. Although some works have been published on the mitochondrial genomes of the Hemiptera, but leaves the corresponding data blank on some families. We try to sequence the mitochondrial genomes of representatives of key groups, Coccoidea, Cicadoidea, Membracioidea, Enicocephalomorpha, and Dipsocoromorpha, analyze the gene rearrangements, secondary structures of RNA, codon usage, structure of control region and nucleotide composition in the mitochondrial genomes known, explore the trends and mechanism of gene structural evolution, reconstruct the higher phylogeny and classification of Hemiptera.

广义半翅目是昆虫纲不完全变态类昆虫的最大目及昆虫纲中第五大目，包括蚜虫、介壳虫、粉虱、木虱、飞虱、叶蝉、盲蝽、臭虫、锥猎蝽等农林与卫生害虫及紫胶虫、五倍子蚜、大部分猎蝽、姬蝽、花蝽等益虫，在农业生产和人类日常生活中起着重要作用。其形态多样，习性复杂。近百年来，该类群高级阶元的系统发育及进化主要是基于比较形态学或是少量基因片段的分子系统学方法推断的，对该类群高级阶元的分类至今仍存在不同的观点。近年来，虽然有些关于该类群线粒体基因组的研究，但不少科级阶元的相关研究仍属空白。申请者拟测定半翅目部分关键类群（蚧总科、蝉总科、角蝉总科、奇蝽次目、鞭蝽次目及鞘喙亚目）代表种的线粒体基因组序列，通过生物信息学的方法分析半翅目昆虫线粒体基因组的基因重排、RNA二级结构、密码子使用、控制区的结构以及核苷酸组成偏好性等，探讨其基因组结构进化的趋势与机制，构建系统进化树，分析该类群昆虫高级阶元系统发育关系。

半翅目Hemiptera 是昆虫纲不完全变态类昆虫中最大的类群，占后生动物物种多样性的约7%，包括许多重要的农林与卫生害虫及天敌和资源昆虫，在农业生产和人类日常生活中起着重要作用。半翅目昆虫在形态和习性等方面具有丰富的多样性，是研究昆虫宏观进化的理想类群，而重建该类群系统发育关系和起源演化历史是解决该领域诸多问题的关键。本项目完成半翅目4亚目30科63种昆虫线粒体基因组的测定，并通过对线粒体基因的核苷酸组成、密码子使用、基因的进化速率及基因重排等方面的比较分析，发现半翅目不同类群间线粒体基因组碱基组成和进化速率存在高度的异质性，其中胸喙亚目最高，鞘喙亚目以及蜡蝉子亚目均显著高于异翅亚目，并在异翅亚目多个类群都发现了线粒体基因的重排以及一些重要的进化机制。基于线粒体基因组数据和贝叶斯混合异质性模型，我们重建了半翅目高级阶元的系统发育关系，肯定了头喙亚目的单系性、胸喙亚目和其他亚目以及鞘喙亚目与异翅亚目的姊妹群关系，异翅亚目次目间的关系也得到较好的解析。祖先特征性状重建和进化分歧时间估算的结果表明，异翅亚目的繁盛与被子植物演化有一定的协同进化关系，但其在生境和食性分化的高度多样性，更应归功于早期演化过程中关键性进化新特征的获得。