项目文章 | 根据昆虫线粒体基因组和核基因推断物种地理隔离和扩散事件

原创上海天昊生物

蟑螂属隐尾蠊是一种无翅类、灵活性低，在北半球（亚洲和北美）不连续分布的昆虫（图1）。因为它们没有翅膀并且表现出低扩散能力、形态保守性和分散分布，隐尾蠊成为一个理想的用于检验替代和扩散研究，以及探讨地理在物种形成和维持局部分化过程中作用的模型。

昆虫线粒体（mt）基因组是一个紧凑的环状分子，包括13个蛋白质编码基因（PCG）、2个rRNA（rRNA）基因、22个tRNA（tRNA）基因，以及多种非编码区。由于mt基因组数据的优势（例如mt基因组的丰富度、进化速度快和转录产物保守），大量研究使用它们来推断系统发育关系并解决基于部分线粒体序列或核基因标记尚未回答的问题。最近基于部分线粒体序列或核基因标记的系统发育研究，提高了人们对横断亚洲隐尾蠊与物种形成事件之间关系的认识。然而，一些分类群之间的关系仍然未知。

来自西南大学科研人员与国际多所大学合作，对亚洲和美洲广泛代表性隐尾蠊进行了线粒体基因组随机测序，并得到了核基因（18S，28S）序列信息。在此基础上重建了隐尾蠊的系统发育，并通过化石校准的分歧时间估算了群体的进化历史。在本项研究中，天昊生物有幸承担了基因组的随机测序服务，下面让我们简单看下这篇文章。

英文题目：Vicariance and dispersal events inferred from mitochondrial genomes and nuclear genes (18S, 28S) shaped global Cryptocercus distributions

中文题目：根据线粒体基因组和核基因(18S，28S)推断的地理隔离和扩散事件塑造了全球的隐尾蠊分布

期刊名：Molecular Phylogenetics and Evolution

发表时间：2022年

影响因子：5.019 (JCR: Q1)

野外采集了45个隐尾蠊样品，其种34个标本来自中国长白山、秦大巴山和横断山，其余11个来自美国加利福尼亚州、田纳西州、北卡罗来纳州、弗吉尼亚州和乔治亚州。所有标本均保存在100%乙醇中并在-80ºC下保存。

实验样本送上海天昊生物进行随机测序及生信分析。在获得线粒体基因组基础上进一步对tRNA基因、PCG、rRNA基因的同源性进行了比对鉴定。对核18S rRNA(18S)和28S rRNA(28S)进行了分析，还使用最大似然和贝叶斯法进行系统发育分析，以及分歧时间分析和生物地理学分析。

图1、隐尾蠊采样位置

隐尾蠊线粒体基因组情况

本研究对45个隐尾蠊线粒体基因组进行了测序，并将这些基因组与GenBank中另外7个基因组和代表5个物种的基因组相合结。这52线粒体基因组长度从14,945 bp到17,793 bp不等，平均 A + T 含量为74.23%。

在秦大巴山的8个样本中发现了6个tRNA（trnA、trnR、trnN、trnS1、trnE和trnF）在ND3和ND5之间的重排（图2-3）。

图2、隐尾蠊的线粒体基因重排。

图3、推断的TDRL事件解释了隐尾蠊中的线粒体基因重排。(GO2-6) ND3和ND5之间的基因；(GO7) 控制区CR和ND2之间以及ND3和ND5之间的基因。较长的非编码序列以黄色突出显示。

系统发育分析

系统发育分析图4所示，我们发现了对北美隐尾蠊和亚洲隐尾蠊单一系的有力支持。在北美的进化枝中，来自西海岸的隐尾蠊C. clevelandi作为来自美国东海岸的C. punctulatus姐妹群被发现。而来自长白山的隐尾蠊样本，包括来自俄罗斯东部和韩国的分类群，形成了一个并系群。

图4、从完整的线粒体基因组和核基因（18S、28S）推断出的贝叶斯系统发育树。进化枝I-IV表示长白山、秦大巴山、云南高原和川西高原的隐尾蠊群。

分歧时间估计

基于线粒体基因组和核基因（18S、28S）的隐尾蠊物种多样化的时间尺度，并使用7种cockroach（包括3种termite）化石进行校准，如图5所示。分歧时间分析表明，隐尾蠊在140.5 Ma从termite分出。随后，隐尾蠊在80.5 Ma分化为北美隐尾蠊和亚洲隐尾蠊。隐尾蠊最近的共同祖先来自横断山脉和秦大巴山脉的年代为27.2 Ma。