鳞翅目昆虫翅及飞行能力进化

Leptopeteran insect, which originated in Early Jurassic, with their larva as pests in agriculture and forestry, is the second largest orders in Insecta. Advances in their flight related studies have largely helped people to understand their activities and damages to agroforestry. However, previous studies mainly focused on a limited number of moth taxa and their flights, with evolution of their flight performance remained largely unresolved. We propose a research program on evolution of wing pattern and flight performance of moths with extensive sampling in Northern China, by combing molecular phylogeny and evolution of flight related traits. Based on our previous extensive studies on Leptopeteran, including moth species diversity, DNA barcoding and DNA taxonomy, molecular phylogeny, mtgenomics, it is very likely for us to explore further on its evolution of wing patterns, flight performance and their relationship. Statistics methods will be used in our study to check whether there are significant phylogenetic signals of flight related traits. Potential results from this program could be very useful for pest controls and managements of moths.

鳞翅目是昆虫纲中第二大目，起源于早侏罗纪，许多鳞翅目类群的幼虫都是重要的农业或林业害虫，对其飞行行为的研究，极大地促进了鳞翅目昆虫危害规律及防治的研究，然而在鳞翅目飞行相关研究中存在诸如，“侧重运动学研究，缺少功能性状的相关性分析”、“侧重少数“明星物种”，缺少飞行能力普遍进化关系分析”的问题,鳞翅目昆虫飞行相关功能性状是否存在系统发育信号？在部分类群中存在的飞行能力是否可以在其它类群中进行一定程度的预测？这些问题在当前的鳞翅目昆虫飞行相关研究中少有或没有涉及，是本项目拟进行探索的科学问题。项目主要以我国北方森林生态系统中鳞翅目昆虫群落为研究系统，在申请人已有工作的基础上有望在鳞翅目昆虫飞行器官与飞行能力的相关性方面取得一定突破; 探讨或揭示鳞翅目昆虫飞行相关功能性状的进化与系统发育信号，为项目拟解决的关键科学问题，同时也为农林害虫防治提供飞行能力数据上的支持。

昆虫获得飞行能力是一次非常重要的进化事件，使得昆虫适应多样化的生态位空间，逃避陆地捕食者的捕食，极大地提高其在自然界的存活率，是昆虫多样性产生和维持的重要原因，然而昆虫飞行器官与飞行能力的相关性、昆虫飞行相关功能性状的系统发育信号却鲜有系统研究，本项目以昆虫纲第二大目的鳞翅目为主要研究类群，主要开展以下两方面的工作：（1）. 鳞翅目主要类群多样性、进化、系统发育研究；（2）.飞行能力的比较研究及系统发育信号检测。取得如下结果：（1）.物种鉴定算法取得原创性成果，开发了一种新的卷积神经网络模型 （MMNet）用于DNA条码物种综合识别，为系统发育、飞行相关工作奠定基础。（2）. 利用15个线粒体基因组数据构建了刺蛾科昆虫代表属系统发育关系。（3）.测得鳞翅目昆虫形态数据共计9867条， 1021个物种，隶属于9总科19科574属; 整理分析了鳞翅目35个总科的438个物种的翅形态信息和分子数据，运用几何形态测量学的方法，对翅几何形态和翅脉的位置等形态信息进行量化，结果显示：翅形态特征在总科阶元未检测出显著的系统发育信号，但在总科之内检测到了显著的系统发育信号。在天蛾科昆虫研究中，检测到8组性状显著的系统发育信号，发现中性过程、生境过滤及竞争作用在局域群落构建中的主导作用：基于Blomberg’s K的性状保守性检验结果显示，翅胸面积比（K = 1.13；p = 0.001）表现为谱系保守进化；翅展（K = 0.92；p = 0.001）、总翅面积（K = 0.62；p = 0.001）、单次最远飞行距离（K = 0.48；p = 0.016）、翅负载（K = 0.53；p = 0.012）、寄主植物科数（K = 0.60；p = 0.018）、Shannon生态位宽度（K = 0.52；p = 0.028）和KEGG代谢通路（K = 0.48；p = 0.024）表现为谱系趋同进化。(4).测得903个样品的飞行磨数据，涉及8个总科，15科，165属，221种。发现尺蛾总科（Geometridae）的飞行能力最弱，螟蛾科Pyralidae具最高的飞行耐力。项目测得的鳞翅目昆虫飞行磨数据是迄今为止最大规模的鳞翅目昆虫野外实测飞行数据，对于鳞翅目昆虫监控、危害防治等具有重要意义。