基于线粒体基因组和核基因18S、28S数据的世界隐尾蠊分子系统学及进化研究

The woodroach Cryptocercus is one kind of xylophagous insects which live in mountain forests of temperate and moist regions. The taxonomic status of Cryptocercus is very special and important owing to its link connecting termites and other cockroach species. The apterous Cryptocercus exhibits a disjunct distribution in Asian and North America, which is the main reason for the hotspot research in molecular phylogeny and biological evolution of Dictyoptera. In China, Cryptocercus cockroaches show a disjunct distribution in Qinling-Daba mountains, western Sichuan-Hengduan mountains and mountain area of Northeastern China. Cryptocercus in these area was rarely investigated, and the biodiversity of species and phylogenetic relationship kept unknown. Its origins，evolution and immigration need to be further clarified. The goals of this project are to: 1) investigate the biodiversity of Cryptocercus, and figure out the diversity and distribution pattern of Cryptocercus in China; 2) synthetically compare and value the application of the chromosome number and female genitalia in classification; 3) assess whether COI gene fragment could serve as a standard barcoding to delimit species; 4) perform the phylogenetic analysis based on mitochondrial genome combined with nuclear genes 18S and 28S , and discuss the phylogenetic relationship of Cryptocercus worldwide; 5) calculate the divergence time by means of fossil calculation and molecular substitution rate, and infer the biogeographical reconstructions and explain the cause of current distribution pattern in order to establish the foundation for further study in phylogeny and evolution of Blattodea.

隐尾蠊是一类特殊的食木性蜚蠊,生活于冷凉、潮湿的环境。该类蜚蠊是联系白蚁和其他蜚蠊类群的纽带,无翅却间断分布在亚洲和北美,成为近年来网翅总目系统发育和生物进化研究的热点。隐尾蠊间断分布在我国的秦岭－大巴山区、川西－横断山区、东北山区，物种调查甚少,各区隐尾蠊的物种多样性及亲缘关系亟待调查和澄清；隐尾蠊的起源、演化和传播路径有待进一步阐释。本项目拟对我国隐尾蠊进行调查,弄清隐尾蠊物种多样性水平和分布格局,综合比较染色体数目特征及隐尾蠊雌性生殖器特征的分类应用价值;综合运用自测和基因库下载的隐尾蠊分子数据,确定COI基因片段作为隐尾蠊DNA 标注条形码的可行性;使用线粒体基因组结合18S、28S基因对世界隐尾蠊进行系统发育分析,探讨其亲缘关系, 采用化石标定及进化速率的分子钟研究方法估算分化时间,利用重建祖先分布地的方法推测其进化路线，解释隐尾蠊现今分布格局。

本项目主要进行基于隐尾蠊三个方面的研究：1）隐尾蠊的物种多样性以及区系分布研究；2）基于形态特征、染色体数量特征、分子数据的物种界定研究；3）世界隐尾蠊的系统发育关系研究。通过这三个方面的研究，我们弄清了隐尾蠊在我国的分布范围，适生的环境，温度和湿度的大致要求；通过调查发现并命名了20余种，使我国隐尾蠊种类达到了30余种。这些种类主要分布在我国川西高原，云南高原，秦岭大巴山脉以及广义的长白山脉。通过多种数据的物种界定研究发现，形态特征在种类界定方面表现出很大的局限性，随着种类的增多，不同种类之间用于鉴定的形态特征存在重叠，而很难进行种类鉴定；由于不同种类相同染色体数量较普遍存在，使得染色体数量特征界定种类也存在一定的局限性，在染色体数量相同时需要借助其他信息进行种类界定。目前看来分子物种界定方法是对该类群进行鉴定最为便捷有效的方法，常用的两种分子物种界定方法，GMYC以及ABGD，结合COI分子数据能够很好的对隐尾蠊种类进行界定，并得到染色体、形态、地理信息等特征界定种类的佐证。基于世界所有已知隐尾蠊种类的线粒体基因组及核基因（18S、28S）（50个线粒体基因组及相应核基因标记）对隐尾蠊进行系统发育分析，结果表明隐尾蠊分别在北美大陆和亚欧大陆上独立演化了近亿年（9400万年），即在亚欧大陆和北美大陆未分离之前隐尾蠊祖先就已经分布在两块大陆，它们同根同源，具有共同祖先，即便在大陆分离，独立演化近亿年之后，但它们在外形上依旧像孪生双胞胎。根据已经调查获得的数据分析，美国分布的隐尾蠊种类约有10余种，物种多样性的水平较亚欧大陆要低很多，亚欧大陆的隐尾蠊物种多样性丰富的主要原因在于青海-西藏高原的隆升以及横断山脉存在丰富的被山脊隔离的谷地生境，并且谷地生境的海拔也非常高。隐尾蠊在我国的间断分布，是由于川西高原、秦岭大巴山脉以及长白山脉的先后隆升导致隐尾蠊适应的环境就只剩高原山区。本研究不但弄清了该类蜚蠊的分布格局，进一步揭示了该类群的物种多样性水平，生物学，阐释了现今分布格局及其形成的原因,而且对北美和亚欧大陆生物间断分布的形成机制有了新的阐释和补充。