六种天牛线粒体全基因组测定和分析

六种天牛线粒体全基因组测定和分析

线粒体基因组因其组成稳定,含有大量分子标记,普遍为母系遗传,被越来越多的应用于群体遗传学、物种鉴定和系统发育等方面的研究。天牛科隶属于鞘翅目叶甲总科,是鞘翅目昆虫中形态变异最具多样性的类群之一,同时也是林业生产、作物栽培和建筑木材上的主要害虫。

相对于其它常见昆虫类群,天牛科昆虫只有13种进行了全线粒体基因组测序,而全世界已知天牛超过25000种。因此,本研究选择6种重要的林业天牛害虫测序,希望能增加天牛科物种线粒体基因组信息的丰富度,阐明其基因组结构特点,同时也为天牛科的系统发育提供一定有效信息。

本研究采用Illumina结合传统sanger法测序获得靓眼斑天牛((Ommata notabilis)、拟腊天牛(Stenygrinum quadrinotatum)、桑并脊天牛(Glenea centroguttata)、褐梗天牛(Arhopalus rusticus)、锯天牛(Prionus insularis)、单锥背天牛(Thraninus simplex)等六种天牛的全线粒体基因组序列,并进行了注释和分析。同时,将测得的6种天牛与NCBI提交的其它蛋白质编码基因(PCGs)较全的22种天牛的线粒体基因组序列进行了比较基因组分析和系统发育分析,研究的结果主要如下:1.靓眼斑天牛、拟腊天牛、单锥背天牛、褐梗天牛、锯天牛、桑并脊天牛的线粒体全基因组长度分别为 15715bp、16091bp、15561bp、15801bp、15641bp、15499bp,均含有37个基因和1个非编码区,且未发现重排现象。

2.6种天牛全线粒体基因组显示出了较高的AT偏好性且表现出了一致的A 偏斜和C偏斜,而线粒体基因组内部的组分大部分为T偏斜和G偏斜。

3.6种天牛的蛋白质编码基因大多以典型的ATN为起始密码子。

靓眼斑天牛、拟腊天牛、褐梗天牛、桑并脊天牛的ND1基因以TTG为起始密码子。锯天牛的ND1基因以GTA为起始密码子,COI基因以CCG为起始密码子。

6种天牛使用含A和U的密码子频率较高,如UUU、UUA、AUU、AUA等;使用

氨基酸频率较高的是亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、丝氨酸(Ser)、苯丙氨酸(Phe)。

4.在所测的6种天牛的tRNA的二级结构中,除了 tRNASer(AGN)缺失常规的DHU

臂并以简单的碱基替代外,其它的tRNA都形成了典型的三叶草结构。

区别于其它节肢动物,tRNASer(AGN)的反密码子使用的是UCU而不是GCU。tRNA基因中存在一定程度的错配,以G-U为主。

A-G错配均存在于tRNATrp基因中,U-U错配均存在于tRNALeu(UUR)基因中。

5.本研究对六种天牛的COI基因及AT-富集区进行一代扩增,发现这两个区域的

二代测序结果与一代测序结果的匹配度达99.5%～100%。

6.本研究通过对28个天牛科物种的线粒体基因组比较研究后发现天牛科全线粒体基因组长度在1.54-1.66 kb之间,基因间的重复区主要出现在tRNATrp

与tRNACys、COI和tRNATyr之间,间隔区主要出现在ND1和tRNASer之间。碱基组成中A+T含量在70%左右,且A的偏移值稍高于T。

蛋白质编码基因长度变化最大的是ND3基因,最小的是COⅢ基因。ATP8基因进化速率最快,COI基因进化速率最慢。

13个蛋白质编码基因大多以典型的ATN为起始密码子,以TAG、TAA或不完

全的T、TA为终止密码子。7.利用天牛科28个物种的PCGs的数据集进行序列组成、遗传距离、序列异质性、碱基替换饱和等相关分析,并进行系统发育树的构建。

序列组成分析显示COI基因保守位点百分比最高;遗传距离显示沟胫天牛亚

科的云斑白条天牛和锈色粒肩天牛之间遗传距离最小,瘦天牛亚科和天牛亚科的侧沟天牛属遗传距离最大;碱基替换性饱和分析及序列异质性分析表明天牛科物种的PCGs数据集可用于系统发育树的构建。建树结果得到了传统分类学中比较解剖学、生物地理学等方面的支持,两种不同的建树方法得到的结果基本一致。

本研究基本确立了 6种天牛在系统树的进化位置,得到各亚科之间的关系为(沟胫天牛亚科+((幽天牛亚科+(膜花天牛亚科+花天牛亚科))+((暗天牛亚科+瘦天牛亚科)+(锯天牛亚科+天牛亚科)))),支持花天牛亚科、沟胫天牛亚科、天牛亚科以及白条天牛族、楔天牛族、沟胫天牛族、虎天牛族的单系性。