劉晨陽(yáng),夏夢(mèng)玉,翟 卿,趙 卓,李 祥,杜紅雨,劉曉光
(河南省害蟲綠色防控國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/河南省害蟲生物防控工程實(shí)驗(yàn)室/河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,鄭州 450046)
【研究意義】蜆蝶是一種小型蝴蝶,全球已知1400多種,其中93%分布在新大陸。蜆蝶形態(tài)上具有突出的模仿性、生殖器相似度高,僅從形態(tài)特征和生活習(xí)性無(wú)法確定錫金尾褐蜆蝶的分類地位。昆蟲線粒體基因組全序列長(zhǎng)度為15~18 kb,包括13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因、22個(gè)tRNA基因、2個(gè)rRNA基因以及1段控制區(qū)[1]。昆蟲線粒體基因組母系遺傳、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子量小、易于檢測(cè),因此,目前被廣泛應(yīng)用于分子鑒定、DNA條形碼、系統(tǒng)發(fā)育等研究,且13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因已被證實(shí)可用于解決昆蟲高級(jí)階元系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析[2-6]。【前人研究進(jìn)展】閆振天等[7]和石慶會(huì)等[8]認(rèn)為應(yīng)將蜆蝶作為科級(jí)單位。有研究認(rèn)為蜆蝶科下分優(yōu)蜆蝶亞科(Euselasiinae)、古蜆蝶亞科(Nemeobiinae)和蜆蝶亞科(Riodininae)3個(gè)亞科[9-11]。其中古蜆蝶亞科分為褐蜆蝶族(Abisarini),包括褐蜆蝶屬(Abisara)、萊蜆蝶屬(Laxita)、暗蜆蝶屬(Paralaxita)和白蜆蝶屬(Stiboges)4屬;古蜆蝶族(Nemeobiinae),包括紅斑蜆蝶屬(Hamearis)、沙蜆蝶屬(Saribia)、小蜆蝶屬(Polycaena)、豹蜆蝶屬(Takashia)和藏蜆蝶屬(Tibetododona)5屬;波蜆蝶族(Zemerini),包括波蜆蝶屬(Zemeros)、尾蜆蝶屬(Dodona)2屬;以及未明確劃分族的塔蜆蝶屬(Taxila)、迪蜆蝶屬(Dicallaneura)和前列蜆蝶屬(Praetaxila)3屬。近年系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn),古蜆蝶亞科內(nèi)分類系統(tǒng)與傳統(tǒng)分類系統(tǒng)存在巨大差異。Espeland等[12]認(rèn)為應(yīng)將古蜆蝶亞科分為褐蜆蝶族和古蜆蝶族,將傳統(tǒng)的波蜆蝶族拆分為波蜆蝶亞族(Zemeros)和尾蜆蝶亞族(Dodonaina)并入古蜆蝶族;原屬于優(yōu)蜆蝶亞科中的白珂蜆蝶屬(Corrachia)和粉蜆蝶屬(Styx)整合為白珂蜆蝶亞族(Corrachina)歸入古蜆蝶族;原屬于褐蜆蝶族中的黃帶褐蜆蝶(Abisarafylla)和白帶褐蜆蝶(Abisarafylloides)與古蜆蝶族中的白蜆蝶(Stibogesnymphidia)組成白蜆蝶亞族(Stibogina);將塔蜆蝶屬、迪蜆蝶屬、前列蜆蝶屬歸入褐蜆蝶族。目前蝶類較為通用的5科分類系統(tǒng)中,蜆蝶作為灰蝶科下的亞科?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前褐蜆蝶族內(nèi)的分類系統(tǒng)混亂,錫金尾褐蜆蝶(A.chela)歸屬存在爭(zhēng)議,尚無(wú)明確定位?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本文測(cè)定并分析錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組特征,探究蜆蝶與灰蝶的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系以及錫金尾褐蜆蝶的分類地位。
本研究所采用的7種蜆蝶標(biāo)本均于2021年7—8月在西藏自治區(qū)采集,種類鑒定依據(jù)形態(tài)特征。具體采集信息如表1所示。
試劑盒為TIANamp Fenomic DNA Kit血液/細(xì)胞/組織基因組DNA提取試劑盒(離心柱型),由天根生化科技(北京)有限公司提供。挑取-20 ℃凍存標(biāo)本胸部肌肉,將標(biāo)本剩余部分標(biāo)注對(duì)應(yīng)編號(hào)保存,按照試劑盒標(biāo)注步驟提取總DNA。測(cè)定濃度,選取高濃度樣本完成高通量測(cè)序,測(cè)序工作由北京貝瑞和康生物技術(shù)有限公司完成。
將測(cè)序所得短片段拼接,選擇長(zhǎng)度在15 000 bp左右的序列,刪除重復(fù)序列,上傳至Mitos網(wǎng)站(http://mitos.bioinf.uni-leipzig.de/index.py)注釋。依據(jù)注釋結(jié)果,使用MEGA 6軟件,對(duì)13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因、2個(gè)rRNA基因和A+T富含區(qū)與其他已測(cè)定鱗翅目昆蟲比對(duì)后,調(diào)整起始和終止位置后上傳NCBI網(wǎng)站獲取GenBank登錄號(hào)。
利用MEGA 6軟件分析13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因序列、主要編碼鏈J鏈上的tRNA基因和次要編碼鏈N鏈上的tRNA基因的核苷酸組成,使用AT-skew=(A-T)/(A+T)和GC-skew=(G-C)/(G+C)公式計(jì)算AT偏斜和GC偏斜,分析13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因的氨基酸使用頻率和相對(duì)同義密碼子使用頻率(RSCU)。根據(jù)上傳Mitos網(wǎng)站的注釋結(jié)果繪制22個(gè)tRNA基因的二級(jí)結(jié)構(gòu),并利用OGDraw網(wǎng)站(https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/OGDraw.html)在線繪制線粒體基因組結(jié)構(gòu)。
表1 標(biāo)本采集信息
選取51種蝴蝶的線粒體全基因組,其中7種蜆蝶自測(cè),44種由NCBI下載,以家蠶(Bombyxmori)和美國(guó)白蛾(Hyphantriacunea)作為外群,分別采用最大似然法(Maximum Likelihood,ML)和貝葉斯法(Bayesian inference,BI)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。使用Phylosuite軟件中的ModelFinder,篩選出貝葉斯推斷最佳核苷酸替換模型GTR+I+F+G4,設(shè)置貝葉斯推斷中運(yùn)行4條馬爾科夫鏈蒙特卡洛算法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC),運(yùn)行代數(shù)為2000 000代,每100代取一次樣,舍去25%的老化樣本;篩選出的最大似然法推斷的最佳替換模型為GTR+F+R5,系統(tǒng)發(fā)育樹各分支節(jié)點(diǎn)的置信水平選擇ultrafast bootstrap,重復(fù)抽樣10 000次。
錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組全序列總長(zhǎng)度為15 259 bp,由37種基因組成,包括13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因、22個(gè)tRNA基因、2個(gè)rRNA基因和1個(gè)A+T富含區(qū),呈閉合雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。37個(gè)基因中有位于J鏈上的9個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因(nad2、cox1、cox2、atp8、atp6、cox3、nad3、nad6、cob)和14個(gè)tRNA基因(trnM、trnI、trnW、trnL2、trnK、trnD、trnG、trnA、trnR、trnN、trnS1、trnE、trnT、trnS2),N鏈上有4個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因(nad5、nad4、nad4l、nad1)和8個(gè)tRNA基因(trnQ、trnC、trnY、trnF、trnH、trnP、trnL1、trnV)(圖1)。錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組中有8處基因重疊,共31 bp,重疊最長(zhǎng)的8 bp在trnW和trnC之間,重疊最短的1 bp在nad4和nad4l之間;基因間隔有13處,共146 bp,間隔最長(zhǎng)的58 bp在trnQ和nad2之間,間隔最短的1 bp在trnL2和cox2之間;無(wú)間隔無(wú)重復(fù)的16處(表2)。
圖1 錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the mitochondrial genome of A. chela
續(xù)表2 Continued table 2
錫金尾褐蜆蝶線粒體全基因組中,A、T、G和C含量分別為39.9%、40.6%、7.8%和11.7%,A+T含量為80.5%,G+C含量為19.5%,有明顯的AT偏向性。AT偏斜(AT-skew)和GC偏斜(GC-skew)分別為-0.009和-0.200,表明線粒體全基因組中堿基含量T高于A,C高于G(表3)。
錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組中蛋白質(zhì)編碼基因序列總長(zhǎng)為11 182 bp,約占線粒體基因組全序列的73.28%。其中nad5基因最長(zhǎng),為1720 bp;atp8基因最短,為162 bp。其A+T含量為79.0%,G+C含量為21.0%,AT偏斜和GC偏斜分別為-0.137和-0.038。
13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因中,除cox1以CGA為起始外,其它均以標(biāo)準(zhǔn)密碼子(ATN)為起始,其中atp8的起始密碼子為ATC,nad3的起始密碼子為ATA,nad2、nad5和nad6的起始密碼子均為ATT,cox2、atp6、cox3、nad4、nad4l、cob和nad1的起始密碼子則為ATG;除cox2、nad5和nad4以T為終止,其余的終止密碼子均為TAA(表2)。
共有60組不同的密碼子,其中使用頻率較高的依次為UUA(Leu,467次)、AUU(Ile,440次)、UUU(Phe,332次)、AUA(Met,259次)和AAU(Asn,252次),均完全由A或U構(gòu)成(圖2-A)。以A/U結(jié)尾的氨基酸密碼子的使用頻率頻繁于以G/C結(jié)尾的。使用頻率較為頻繁的氨基酸依次為L(zhǎng)eu(552次)、Ile(469次)、Phe(355次)、Ser(348次)和Met(301次),使用頻率較低的氨基酸依次為His(65次)、Gln(61次)、Asp(59次)、Arg(54次)和Cys(27次)。
UUA的相對(duì)同義密碼子使用頻率最高,RSCU值為5.08。Ser和Leu的RSCU值分別為8.01和6.01,Val、Pro、Thr、Ala、Arg和Gly的RSCU值均為4,其它12個(gè)氨基酸的RSCU值均為2(圖2-B)。
基因組注釋結(jié)果顯示,22個(gè)tRNA基因長(zhǎng)度均在60~70 bp。J鏈上的tRNA基因序列A+T含量為79.8%,G+C含量為20.2%,AT偏斜和GC偏斜分別為-0.010和0.426;N鏈上的tRNA基因序列A+T含量為82.1%,G+C含量為17.9%,AT偏斜和GC偏斜分別為0.028和0.017。
表3 錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組核苷酸組成
圖2 錫金尾褐蜆蝶蛋白質(zhì)編碼基因的氨基酸使用頻率(A)和相對(duì)同義密碼子使用度(RSCU)(B)Fig.2 Usage of amino acids (A) and the relative synonymous codon usage (B) of protein-coding genes of mitochondrial genome in A. chela
除trnS1基因缺少DHU臂外,錫金尾褐蜆蝶的其他21個(gè)tRNA基因的二級(jí)結(jié)構(gòu)均為典型的三葉草型,與目前已知鱗翅目昆蟲的tRNA基因二級(jí)結(jié)構(gòu)一致[19-21]。有19對(duì)G=U錯(cuò)配分別出現(xiàn)于trnA、trnC、trnF、trnG、trnH、trnI、trnL1、trnP、trnQ、trnT、trnV、trnW基因的氨基酸接受臂、TψC臂、二氫尿嘧啶臂和反密碼子臂;4對(duì)U=U錯(cuò)配出現(xiàn)在trnA、trnL2、trnS2基因的氨基酸接受臂和反密碼子臂上(圖3)。
錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組中有2個(gè)rRNA基因,rrnL(1334 bp)基因位于trnL1和trnV之間,rrnS(772 bp)基因位于trnV和A+T富含區(qū)之間,都有較高的A+T含量,分別為85.4%和84.1%。
A+T富含區(qū)又稱為控制區(qū),是昆蟲線粒體中的非編碼序列,錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組中的A+T富含區(qū)位于rrnS和trnM之間,長(zhǎng)度為391 bp,其A+T含量高達(dá)93.3%,明顯高于線粒體基因組中其它部分A+T含量。
錫金尾褐蜆蝶的A+T富含區(qū)端部存在一個(gè)由保守序列“ATAGA”引導(dǎo)的19 bp的多聚T結(jié)構(gòu)(圖4);中部存在2個(gè)6 bp的串聯(lián)重復(fù)序列(TATATT)、2個(gè)8 bp的串聯(lián)重復(fù)序列(TTAATTAT)和1個(gè)微衛(wèi)星片段(TA)6;尾部存在一個(gè)10 bp的多聚A結(jié)構(gòu)。
基于線粒體基因組13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因和2個(gè)rRNA基因的串聯(lián)序列,以家蠶(B.mori)和美國(guó)白蛾(H.cunea)作為外群分別采用貝葉斯法(BI)和最大似然法(ML),分析51種蝴蝶的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,構(gòu)建BI樹(圖5)和ML樹(圖6)。結(jié)果表明,2種系統(tǒng)發(fā)育分析方法得到相似的樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),均顯示建樹所用蝶類分為5個(gè)大分支:蜆蝶與灰蝶聚為一支,BI后驗(yàn)概率(BPP)和ML自舉值(MLBP)分別為1、100;蛺蝶、珍蝶、眼蝶、環(huán)蝶、斑蝶和喙蝶聚為一支(BBP=1,MLBP=100);粉蝶單獨(dú)為一支(BPP=1,MLBP=100);弄蝶單獨(dú)為一支(BPP=1,MLBP=100);鳳蝶和絹蝶聚為一支(BPP=1,MLBP=100)。其中蜆蝶、灰蝶、眼蝶、斑蝶、粉蝶和弄蝶為單系群;蜆蝶與灰蝶互為姐妹群(BPP=1,MLBP=100)。黃帶褐蜆蝶(A.fylla)和白帶褐蜆蝶(A.fylloides)聚為一支(BPP=1,MLBP=100),但錫金尾褐蜆蝶(A.chela)獨(dú)立于褐蜆蝶屬(Abisara)之外(BPP=1,MLBP=100)。相較于其它類群,眼蝶和環(huán)蝶的親緣關(guān)系更近(BPP=1,MLBP=100)。
BI樹顯示,本研究中各類群間關(guān)系為蜆蝶種間關(guān)系為(A.chela+((A.fylloides+A.fylla)+(Z.flegyas+(D.dipoea+(D.adonira+(D.eugenes+(D.maculosa+D.egeon))))))),其中波蜆蝶屬(Zemeros)和尾蜆蝶屬(Dodona)聚為一支(BBP=0.54)。苧麻珍蝶(Acraeaissoria)先與蛺蝶中的斐豹蛺蝶(Argynnishyperbius)和嘉翠蛺蝶(Euthaliakardama)聚為一支(BPP=1),然后與大紫蛺蝶(Sasakiacharonda)和柳紫閃蛺蝶(Apaturailia)的集合互為姐妹群(BPP=1)。
圖4 錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組A+T富含區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of A + T-rich region of A. chela mitochondrial genome
圖5 基于13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因和2個(gè)rRNA基因序列構(gòu)建的蝶類貝葉斯法系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.5 Bayesian phylogenetic tree of butterflies based on the sequences of 13 protein-coding genes and 2 rRNA genes of mitochondrial genome
圖6 基于13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因和2個(gè)rRNA基因序列構(gòu)建的蝶類最大似然法系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.6 Maximum likelihood phylogenetic tree of butterflies based on the sequences of 13 protein-coding genes and 2 rRNA genes of mitochondrial genome
ML樹顯示,蝴蝶類群間關(guān)系為((Papilionid+Parnassiid)+(Hesperiid+(Pierid+((Libyheid+(Danaid+((Amathusiid+Satyrid)+(Acraeid+Nymphalid))))+(Lycaenid+Riodinid)))))。蜆蝶種間關(guān)系為(A.chela+((Z.flegyas+(A.fylloides+A.fylla))+(D.dipoea+(D.adonira+(D.eugenes+(D.maculosa+D.egeon)))))),其中黃帶褐蜆蝶、白帶褐蜆蝶和波蜆蝶(Z.flegyas)聚為一支(MLBP=77),然后與尾蜆蝶屬互為姐妹群(MLBP=88%)。苧麻珍蝶先與蛺蝶中的斐豹蛺蝶聚在一起(MLBP=69),然后與嘉翠蛺蝶聚為一支(MLBP=100),之后與大紫蛺蝶和柳紫閃蛺蝶互為姐妹群(MLBP=99)。
錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組中,37個(gè)基因包括2個(gè)核糖體基因(rrnL和rrnS)、22個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因和13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因包括1個(gè)細(xì)胞色素b(cob)、2個(gè)ATP酶亞基基因(atp6和atp8)、3個(gè)細(xì)胞色素氧化酶亞基基因(cox1、cox2和cox3)、7個(gè)NADH降解酶基因(nad1、nad2、nad3、nad4、nad5、nad6和nad4l),cox1基因以CGA為起始,其余均以ATN為起始;cox2、nad5和nad4基因以T為終止,其余終止密碼子均為TAA。錫金尾褐蜆蝶線粒體基因的排列順序和編碼方向與已知大多數(shù)鱗翅目昆蟲一致[13-17]。
錫金尾褐蜆蝶線粒體基因全序列具有AT偏向性,符合昆蟲線粒體基因中含有較高的A+T含量的特征[18]。tRNA基因二級(jí)結(jié)構(gòu)中,除trnS1基因缺少DHU臂外,均為標(biāo)準(zhǔn)的三葉草結(jié)構(gòu),與鱗翅目中已測(cè)定的線粒體基因組tRNA基因表現(xiàn)一致[19-21]。22個(gè)tRNA基因二級(jí)結(jié)構(gòu)中有19對(duì)堿基錯(cuò)配。A+T富含區(qū)中的多聚T結(jié)構(gòu),目前已被證實(shí)為復(fù)制起點(diǎn)[22-24]。
蜆蝶與灰蝶各為單系群,互為姐妹群,支持Cong等[25]將蜆蝶和作為亞科列入灰蝶科的觀點(diǎn)。珍蝶、蛺蝶、眼蝶、環(huán)蝶、斑蝶和喙蝶歸入蛺蝶科,其中眼蝶與環(huán)蝶的親緣關(guān)系相對(duì)于其它類群較近。粉蝶和弄蝶均為單系群,認(rèn)可粉蝶和弄蝶分別為科級(jí)單元的觀點(diǎn)。鳳蝶和絹蝶并列為鳳蝶科的亞科。波蜆蝶屬(Zemeros)和尾蜆蝶屬(Dodona)的親緣關(guān)系相較于褐蜆蝶屬(Abisara)較近,這一點(diǎn)與Campbell等[11]觀點(diǎn)一致,但是黃帶褐蜆蝶(A.fylla)和白帶褐蜆蝶(A.fylloides)未與錫金尾褐蜆蝶(A.chela)聚為一支,而是與波蜆蝶屬和尾蜆蝶屬親緣關(guān)系更近。依據(jù)2種系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)果,認(rèn)可Espeland等[12]將黃帶褐蜆蝶和白帶褐蜆蝶歸入古蜆蝶族(Nemeobiinae)的觀點(diǎn);錫金尾褐蜆蝶仍屬于褐蜆蝶族(Abisarini),與比較形態(tài)學(xué)分類地位一致。黃帶褐蜆蝶、白帶褐蜆蝶和錫金尾褐蜆蝶的學(xué)名厘定還需要另做研究。
2種系統(tǒng)發(fā)育樹在波蜆蝶屬和珍蝶屬(Acraea)存在差異。BI樹中,波蜆蝶屬和尾蜆蝶屬聚為一支,然后與黃帶褐蜆蝶和白帶褐蜆蝶互為姐妹群。ML樹中,黃帶褐蜆蝶、白帶褐蜆蝶和波蜆蝶屬聚為一支,然后與尾蜆蝶屬互為姐妹群。2種系統(tǒng)發(fā)育樹中波蜆蝶屬處的節(jié)點(diǎn)支持率分別為0.54%、77.00%,需要增加樣本并與其它特征聯(lián)合分析才能確定其準(zhǔn)確系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。BI樹中,蛺蝶中的斐豹蛺蝶(Argynnishyperbius)和嘉翠蛺蝶(Euthaliakardama)的親緣關(guān)系相較于苧麻珍蝶(Acraeaissoria)更近。ML樹中,苧麻珍蝶和蛺蝶中的斐豹蛺蝶的親緣關(guān)系相較于嘉翠蛺蝶更近。雖然斐豹蛺蝶、嘉翠蛺蝶和苧麻珍蝶在2種系統(tǒng)發(fā)育樹的結(jié)果不同,但聚在一起后均與大紫蛺蝶(Sasakiacharonda)和柳紫閃蛺蝶(Apaturailia)互為姐妹群。本研究認(rèn)為,珍蝶應(yīng)作為蛺蝶科下的族或?qū)?歸入蛺蝶亞科,這與鄒方振等[26]認(rèn)為應(yīng)將珍蝶作為亞科歸入蛺蝶科的觀點(diǎn)不一致,還需進(jìn)一步研究確認(rèn)。
古蜆蝶族中分類系統(tǒng)研究較多,目前較為通用的是5亞族系統(tǒng):古蜆蝶亞族(Nemeobiina)、白蜆蝶亞族(Stibogina)、波蜆蝶亞族(Zemerina)、尾蜆蝶亞族(Dodonaina)和白珂蜆蝶亞族(Corrachina),但褐蜆蝶族下階元分類尚無(wú)定論。由于已公布古蜆蝶亞科昆蟲線粒體基因組數(shù)據(jù)數(shù)量較少,尚不能確定錫金尾褐蜆蝶在褐蜆蝶族中的位置,因此,無(wú)論是比較形態(tài)學(xué)還是基因組學(xué),在后續(xù)研究中都有必要增加研究種類。
錫金尾褐蜆蝶線粒體基因組結(jié)構(gòu)特征符合鱗翅目和蝶類的基本規(guī)律;基于線粒體基因組特征構(gòu)建的貝葉斯樹和最大似然樹均支持目前較為通用的蝴蝶5科系統(tǒng);錫金尾褐蜆蝶歸入古蜆蝶族,黃帶褐蜆蝶和白帶褐蜆蝶保留古蜆蝶族的地位,錫金尾褐蜆蝶的地位在獲得更多證據(jù)支撐前,先暫時(shí)保留在古蜆蝶族。