Coelophora saucia（Mulsant，1850）（鞘翅目：瓢虫科）完整线粒体基因组的特征分析及其系统发育研究

《Mitochondrial DNA Part B》：Characterization of the complete mitochondrial genome and phylogenetic analysis of Coelophora saucia (Mulsant, 1850) (Coleoptera: Coccinellidae)

线粒体基因组测序显示Coelophora saucia的mtDNA全长18068bp，GC含量20.9%，包含13个PCG、22个tRNA和2个rRNA，系统发育分析表明其与Propylea属亲缘关系最近。

　　在农业生产中，天敌昆虫扮演着至关重要的角色，其中**Coelophora saucia**作为一种重要的捕食性天敌昆虫，因其对蚜虫、白粉虱等害虫的高效控制能力而受到广泛关注。为了进一步揭示其遗传特征及系统演化关系，本研究通过高通量测序技术首次获得了**C. saucia**的完整线粒体基因组，并利用最大似然法构建了其系统发育树，从而为理解该物种在瓢虫科（Coccinellidae）中的演化地位提供了重要依据。

### 线粒体基因组的基本结构

**C. saucia**的线粒体基因组全长为18,068个碱基对（bp），其GC含量为20.9%。这一数据表明，该基因组具有较低的GC含量，与其他昆虫线粒体基因组相比，这一特性可能与其特定的生态适应性有关。线粒体基因组通常包含若干关键基因，包括13个蛋白质编码基因（PCGs）、22个转运RNA（tRNA）基因、2个核糖体RNA（rRNA）基因以及一个非编码控制区（D-loop）。这些基因的排列和功能在昆虫的线粒体基因组中具有一定的保守性，但也存在物种间的差异。

本研究中，**C. saucia**的线粒体基因组呈现出一种不对称的结构，即在重链（H-strand）上编码了9个PCGs和14个tRNA基因，而其余的基因则分布在轻链（L-strand）上。这种不对称性是许多昆虫线粒体基因组的常见特征，通常与基因的复制方向和转录调控机制相关。此外，线粒体基因组中存在多个非编码区域，这些区域在基因组的结构和功能中起着重要作用，例如调控基因的表达、参与复制起始等。

### 碱基组成与密码子使用

从碱基组成来看，**C. saucia**的线粒体基因组表现出对嘌呤碱基（腺嘌呤A和鸟嘌呤G）的偏好。其中，A的含量为41.6%，T为37.5%，C为11.9%，G为9.0%。这种偏倚可能与线粒体基因组的进化历史、代谢需求以及基因表达机制有关。值得注意的是，**C. saucia**的线粒体基因组中，有12个PCGs使用ATN作为起始密码子，而**COX1**基因则采用AAG作为起始密码子，这与许多其他昆虫的起始密码子使用模式有所不同。

在终止密码子方面，大多数PCGs使用TAA或TAG作为终止信号，而有5个PCGs则表现出不完整的终止，仅以单个T碱基结尾。这种现象在昆虫线粒体基因组中较为常见，可能是由于终止密码子的读取机制或基因表达的调控差异所致。此外，本研究还发现，**C. saucia**的线粒体基因组中存在一些基因重叠现象，例如在某些相邻基因之间存在1-38 bp的重叠区域，这可能有助于提高基因组的紧凑性，减少DNA的占用空间，从而对昆虫的生存和繁殖具有潜在的适应意义。

### 非编码区域与基因间隔

非编码区域在昆虫线粒体基因组中通常占据较大的比例，且具有重要的调控功能。在本研究中，**C. saucia**的线粒体基因组包含一个长度为2186 bp的非编码控制区（D-loop），该区域位于rRNA和tRNA基因之间，是线粒体DNA复制和转录的重要调控区。D-loop的长度和结构在不同物种中存在较大差异，可能与其进化路径、生态适应性及基因调控机制相关。

此外，**C. saucia**的线粒体基因组中还存在多个基因间隔区域，这些区域的长度从1 bp到1290 bp不等。基因间隔的长度和组成可能受到多种因素的影响，包括基因的表达水平、调控机制以及基因组的进化压力。某些基因间隔区域可能具有功能意义，例如参与基因调控、DNA修复或染色体结构的维持。然而，目前对于这些间隔区域的具体功能仍缺乏深入研究，未来需要进一步探索其潜在的生物学意义。

### 系统发育分析与演化关系

本研究通过构建系统发育树，进一步明确了**C. saucia**在瓢虫科中的演化地位。采用最大似然法（Maximum Likelihood, ML）对22个已发表的瓢虫科物种和2个瓢虫科外的Endomychidae科物种的线粒体基因组序列进行分析，结果显示**C. saucia**与**Propylea japonica**和**Propylea quattuordecimpunctata**具有最紧密的演化关系，形成了一个具有较强系统发育支持的单系群（clade）。这一结果与之前的研究结论一致，表明**C. saucia**与这两个物种在演化过程中存在较近的亲缘关系。

系统发育树的构建还揭示了**C. saucia**与其他瓢虫科物种之间的演化分歧时间。根据贝叶斯推断方法，**C. saucia**与**Propylea**属的物种在大约18.01百万年前发生了分化。这一时间点的确定基于瓢虫科化石记录的校准，例如**Coccinella**属（14.12 Ma）、**P. japonica**（7.15 Ma）、**Vibidia duodecimoguttata**（19.20 Ma）和**Illeis koebelei**（1.63 Ma）等物种的化石数据。这些数据不仅有助于理解**C. saucia**的演化历史，也为瓢虫科的系统分类提供了新的证据。

### 与同属及其他物种的比较

通过对**C. saucia**的线粒体基因组与同属及其它瓢虫科物种的比较，发现其在基因组成、AT含量和基因顺序方面与**P. quattuordecimpunctata**和**P. japonica**具有高度相似性。例如，**C. saucia**的线粒体基因组中，大多数蛋白质编码基因的起始位置与**P. quattuordecimpunctata**和**P. japonica**相似，这可能反映了这些物种在演化过程中共享的某些遗传特征。此外，**C. saucia**的线粒体基因组还表现出与瓢虫科其他物种相似的保守性，例如蛋白质编码基因主要起始于tRNA基因区域，这一现象在许多昆虫中普遍存在，可能是由于线粒体基因组的复制和转录机制所决定。

然而，尽管**C. saucia**与**Propylea**属的物种具有较高的遗传相似性，其系统发育地位仍存在一定的不确定性。例如，**C. saucia**与**Propylea**属的物种在系统发育树中被归为一个独立的分支，这表明它们之间可能存在一定的演化分歧。因此，有必要进一步开展系统分类学研究，以更精确地界定**C. saucia**与其他物种之间的演化关系。

### 研究的意义与应用前景

本研究首次获得了**C. saucia**的完整线粒体基因组，这不仅为瓢虫科的系统发育研究提供了新的数据支持，也为农业害虫的生物防治提供了重要的遗传资源。线粒体基因组因其基因排列紧凑、进化速率较快等特点，常被用于物种鉴定、系统发育分析及演化研究。通过分析**C. saucia**的线粒体基因组，可以更深入地了解其遗传多样性、适应性机制及与其他物种的演化关系。

此外，本研究的结果对农业害虫的生物防治具有重要意义。**C. saucia**作为一种高效的捕食性天敌昆虫，其线粒体基因组的结构和功能可能与其适应性行为、繁殖能力及生态位有关。通过进一步研究其线粒体基因组中的关键基因，例如与代谢、繁殖或行为相关的基因，可以为优化其在农业生态系统中的应用提供理论依据。

### 未来研究方向

尽管本研究取得了重要的进展，但仍存在一些需要进一步探索的问题。首先，**C. saucia**的线粒体基因组中部分基因的功能尚未明确，未来需要结合功能基因组学和蛋白质组学方法，进一步解析这些基因在昆虫生理和行为中的作用。其次，本研究仅基于线粒体基因组的分析，未来应结合全基因组数据，以更全面地理解**C. saucia**的遗传特征和演化历史。此外，由于线粒体基因组的演化速率较快，可能在不同地理种群中存在一定的遗传分化，因此需要开展更多的种群遗传学研究，以评估其遗传多样性及其对农业生态系统的影响。

最后，**C. saucia**的系统分类学地位仍需进一步明确。尽管本研究的系统发育分析表明其与**Propylea**属的物种具有较近的亲缘关系，但这一结论仍需通过更多的系统分类学证据加以验证。未来的研究应结合形态学、生态学和分子生物学等多种方法，以更全面地界定**C. saucia**的分类地位，并探讨其在瓢虫科中的演化路径。这些研究不仅有助于完善瓢虫科的系统分类，也为农业害虫的生物防治提供了新的思路和方法。

### 伦理声明

本研究使用的**C. saucia**标本在中国并不受《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）或野生动物保护法的保护，其IUCN（国际自然保护联盟）评估状态也未被列为受威胁物种。因此，本研究在采集和处理标本时遵循了《湖南省实验动物管理规定》，确保了研究的伦理合规性。

### 作者贡献声明

本研究的完成得益于多位研究人员的共同努力。**Jing-Qiang Zhou**负责研究的概念设计、数据收集、分析和撰写初稿；**Yi Li**参与了研究的设计、数据管理、分析和撰写工作；**Xue-Fei Cai**提供了研究的概念设计和撰写支持；**Feng Li**负责研究的总体设计、数据分析和监督工作；**Guo-Hua Huang**则在研究的概念设计、数据收集、分析及撰写过程中提供了重要支持。所有作者均对研究的完成做出了实质性贡献，并共同承担研究的责任。

### 数据可用性声明

本研究的线粒体基因组序列数据已上传至NCBI的GenBank数据库，其访问编号为PQ668616。此外，相关的生物项目（BioProject）、序列读取档案（SRA）和生物样本（BioSample）编号分别为PRJNA1187021、SRR31442579和SAMN44780754。这些数据的公开性有助于其他研究人员进一步验证和利用本研究的成果，从而推动瓢虫科的系统发育研究和农业害虫的生物防治工作。

综上所述，本研究通过高通量测序技术获得了**C. saucia**的完整线粒体基因组，并利用系统发育分析明确了其在瓢虫科中的演化地位。这些发现不仅为理解该物种的遗传特征和系统分类提供了重要依据，也为农业害虫的生物防治和生态系统的保护提供了新的视角和方法。未来的研究应继续深入探索该物种的遗传多样性、适应性机制及系统分类学地位，以进一步优化其在农业生态系统中的应用价值。