栉眼虫（Ctenophthalmus yunnanus）和前蚤（Frontopsylla diqingensis）的mitogenomic结构及其系统发育位置：比较基因组学的启示

《Frontiers in Veterinary Science》：Mitogenomic architecture and phylogenetic placement of Ctenophthalmus yunnanus and Frontopsylla diqingensis: insights from comparative genomics

云南钝缘蜱和滇池蜱线粒体基因组测序及系统发育分析，揭示基因组结构、核苷酸多样性及进化压力特征，构建系统发育树显示Ctenophthalmidae和Leptopsyllidae为 paraphyletic， divergence时间显示Siphonaptera共同祖先起源于白垩纪，主要分化发生在K-Pg事件后。

　　本研究聚焦于跳蚤这一重要的寄生虫类群，探讨其线粒体基因组的结构特征、进化模式及系统发育关系。跳蚤是哺乳动物中最常见的血液寄生性外寄生虫之一，它们不仅会引发过敏性皮炎和贫血等健康问题，还可能传播多种病原体。尽管跳蚤在生态和医学上具有重要影响，但目前关于其线粒体基因组的研究数据仍较为有限。本研究通过Illumina测序技术，对来自中国云南的两种跳蚤——*Ctenophthalmus yunnanus*（首次报道的线粒体基因组）和*Frontopsylla diqingensis*进行了完整线粒体基因组的测序与分析，为跳蚤的分类学研究和进化机制提供了新的数据支持。

在跳蚤的生态角色中，它们不仅作为病原体的传播媒介，还与多种疾病的发生密切相关。跳蚤的寄生特性决定了其在宿主之间广泛的传播能力，这种特性使得它们成为动物与人类之间疾病传播链的重要组成部分。此外，跳蚤对宿主的寄生行为不仅影响宿主的健康状况，还可能造成严重的经济损失。例如，在畜牧业和宠物饲养领域，跳蚤的寄生行为可能导致牲畜的皮肤损伤、次生感染以及生产性能下降。在宠物领域，跳蚤寄生可能导致幼犬和小羊出现铁缺乏性贫血，甚至危及生命。跳蚤的唾液过敏原则可能引发犬猫的过敏性皮炎，且该疾病的发病率呈逐年上升趋势。更为重要的是，跳蚤作为人畜共患病的传播媒介，其携带的病原体对动物防疫和公共卫生构成重大威胁，例如*Yersinia pestis*可通过犬猫传播，成为鼠疫扩散的关键载体；*Bartonella*则可能在猫群中传播，并导致人畜共患病的猫抓病；而*Rickettsia*则可能引发犬的斑点热和人的斑疹伤寒。此外，跳蚤还可能成为某些寄生虫的中间宿主，如*Dipylidium caninum*的幼虫可能利用跳蚤形成“跳蚤-动物-人类”的寄生链，这进一步增加了跳蚤在疾病传播中的复杂性。

因此，建立一个准确、全面的跳蚤物种数据库对于疾病防控和生态研究具有重要意义。当前，跳蚤的分类与鉴定主要依赖于形态学特征，然而这种方法在区分形态相似或隐匿的物种时存在显著局限性。由于跳蚤的形态高度特化，且在不同宿主间广泛分布，导致同一物种的不同种群可能表现出较大的遗传差异。这种现象在寄生不同宿主或地理分布较广的跳蚤种群中尤为明显，使得传统的形态学分类方法在实际应用中可能产生偏差。相较之下，线粒体基因组因其基因组体积小、序列高度保守、母系遗传以及快速进化等特性，成为一种理想的分子标记物，能够有效弥补形态学分类的不足，为跳蚤的系统分类和进化研究提供新的视角。

本研究通过测序获得了*C. yunnanus*和*F. diqingensis*的完整线粒体基因组，进一步分析了其结构特征、碱基组成及密码子使用偏好。结果显示，两种跳蚤的线粒体基因组均为环状双链结构，长度分别为15,801 bp和15,878 bp，共包含37个基因，包括13个蛋白质编码基因（PCGs）、22个转运RNA（tRNA）基因和2个核糖体RNA（rRNA）基因，以及非编码区域。在碱基组成方面，两种跳蚤的AT含量均接近78%，表现出显著的AT偏倚。在密码子使用偏好方面，UUA、UUU和AUU是最常用的三个密码子，其中AUU在*C. yunnanus*中使用频率最高，而UUA在*F. diqingensis*中表现出更强的偏好性。此外，研究还发现，两种跳蚤的PCGs中，*cox1*基因的非同义突变率（Ka）与同义突变率（Ks）比值最低，表明其在进化过程中受到较强的正向选择压力，这可能意味着该基因在维持其基本功能方面具有较高的保守性。相比之下，其他PCGs则表现出较高的变异性和较低的进化压力。

为了进一步揭示跳蚤的系统发育关系，研究者使用了多个数据集，包括13个PCGs的全部密码子位置（PCG123）和前两个密码子位置（PCG12）的序列，分别通过最大似然法（ML）和贝叶斯推断法（BI）构建了系统发育树。结果表明，跳蚤的多个科，如Pulicidae、Ctenophthalmidae和Leptopsyllidae，均表现出明显的非单系性（paraphyletic），而Pulicidae则稳定地形成一个单系群。此外，*F. diqingensis*和*F. spadix*在系统发育树中表现出较高的支持值，表明它们之间具有较近的亲缘关系；同样，*C. yunnanus*和*C. quadratus*也形成了一个紧密的分支，表明两者在进化过程中具有相似的谱系关系。这些结果不仅有助于理解跳蚤的进化模式，也为进一步研究其分类学提供了依据。

在系统发育分析的基础上，研究还通过贝叶斯推断法（BEAST）对跳蚤的分化时间进行了估算。结果表明，现存跳蚤的最晚共同祖先（crown-group）可以追溯到白垩纪，而大多数现存的跳蚤类群则在K-Pg边界（即白垩纪-古近纪灭绝事件）之后发生了显著的分化。这一发现不仅验证了跳蚤的进化与地质历史事件之间的紧密联系，还揭示了K-Pg灭绝事件在跳蚤多样性形成过程中的关键作用。从进化生物学的角度来看，这种分化时间的分布可能表明，哺乳动物（特别是啮齿类和翼手类）在K-Pg边界之后的适应性辐射为跳蚤的生存和传播创造了新的生态位，从而促进了其种群的分化。这一发现为理解宿主与寄生虫之间的宏进化关系提供了新的实证支持。

尽管本研究在跳蚤的系统发育分析中取得了重要进展，但由于当前跳蚤线粒体基因组数据的匮乏，许多问题仍需进一步研究。例如，部分跳蚤科的线粒体基因组数据尚未获得，这在一定程度上限制了系统发育研究的深度。此外，虽然线粒体基因组在低分类阶元的研究中具有较高的应用价值，但在更高分类阶元的研究中可能存在一定的局限性。因此，未来的研究需要扩展跳蚤线粒体基因组的覆盖范围，增加样本的多样性和地理分布，以更全面地揭示跳蚤的进化历史和分化模式。

本研究还对跳蚤的遗传多样性进行了分析，结果表明，*cox1*基因的遗传多样性（Pi）和进化速率（Ka/Ks）均处于最低水平，说明该基因在跳蚤的进化过程中具有高度保守性。这种保守性可能与其在宿主之间传播的普遍性以及作为病原体载体的广泛性有关。同时，研究发现，跳蚤的tRNA基因中存在较多的碱基错配，其中G-U配对最为常见，且主要集中在tRNA单链V环与TΨC螺旋的连接区域。这种结构特征可能与tRNA分子在进化过程中形成的更高阶结构有关，同时也可能反映了RNA编辑机制在纠正错配、维持tRNA功能方面的重要性。这些发现不仅有助于理解tRNA的结构稳定性和功能特异性，也为跳蚤的分子系统学研究提供了新的线索。

从系统发育和进化关系的角度来看，跳蚤的分类地位一直存在争议。过去的研究主要基于单个基因片段（如18S rDNA、28S rDNA、COII和EF-1α）进行分析，虽然在一定程度上揭示了跳蚤与昆虫其他类群的系统发育关系，但由于数据的局限性，这些研究的结论仍需进一步验证。本研究通过线粒体基因组的全面分析，确认了Pulicidae的单系性，以及Ctenophthalmidae和Leptopsyllidae的非单系性。这些结果与许多先前的研究一致，但同时也与某些研究结论存在差异。因此，未来的研究需要结合更多样化的线粒体基因组数据，以进一步明确跳蚤的系统分类和进化关系。

此外，本研究还发现，跳蚤的某些基因在进化过程中可能受到较强的正向选择压力，这表明这些基因在适应宿主和环境变化方面具有一定的功能优化。然而，大多数跳蚤的PCGs仍处于严格的纯化选择状态，这意味着它们在进化过程中保持了相对稳定的结构和功能。这种选择压力的差异可能与跳蚤在不同宿主间的寄生行为、适应性以及作为病原体传播媒介的能力有关。因此，理解这些关键基因的进化轨迹，有助于揭示跳蚤在疾病传播中的分子机制，并为制定有效的防控策略提供理论依据。

总体而言，本研究通过系统分析跳蚤的线粒体基因组，不仅丰富了跳蚤的分子数据，也为进一步的遗传和系统发育研究奠定了基础。跳蚤的线粒体基因组在分类学和进化研究中具有重要价值，尤其是在区分形态相似的物种和构建更高阶的系统发育关系方面。然而，当前线粒体基因组数据的不足仍然限制了对跳蚤系统分类和进化模式的全面理解。因此，未来的研究需要在跳蚤的线粒体基因组测序和分析方面取得更多进展，以推动跳蚤分子系统学和分类学研究的深入发展。同时，随着更多线粒体基因组数据的积累，跳蚤的系统发育树将更加精确，有助于更准确地评估其在生态系统中的角色，以及在疾病传播中的潜在风险。这不仅对动物防疫和公共卫生具有重要意义，也为跳蚤的生物多样性研究提供了新的视角。