Ceratina smaragdula Fabricius（1787年，膜翅目：蜜蜂科）的完整线粒体基因组，以及基于线粒体基因组序列对蜜蜂科进行的系统发育分析

《Mitochondrial DNA Part B》：The complete mitogenome of ceratina smaragdula fabricius, 1787 (hymenoptera: apidae) and phylogenetic analysis of the family apidae base on mitogenome sequences

本研究解析了亮绿长腹蜂（Ceratina smaragdula）的线粒体基因组，包含15591bp，AT含量85.7%，含13个PCGs、2个rRNA和22个tRNA。系统发育分析表明Xylocopinae和Nomadinae为单系群，Apinae为并系群。C. smaragdula归入Xylocopinae亚科，与C. okinawana形成姐妹群，证实Apis属与Lepidotrigona属亲缘关系更近。

　　本研究聚焦于一种重要的蜜蜂科昆虫——绿金蜂（*Ceratina smaragdula*），并对其线粒体基因组进行了首次完整的解析。绿金蜂属于膜翅目（Hymenoptera）蜜蜂科（Apidae）的木蜂亚科（Xylocopinae），广泛分布于东南亚及夏威夷群岛。作为生态系统中的关键传粉者，绿金蜂在多种经济作物、药用植物、果树以及牧草的繁殖过程中发挥着重要作用。因此，了解其遗传结构不仅有助于深入研究蜜蜂科的进化关系，也为相关生态和农业研究提供了新的视角。

绿金蜂的线粒体基因组全长为15,591个碱基对，其AT含量高达85.7%，这一特性在昆虫线粒体基因组中较为常见。线粒体基因组通常包含37个基因，其中包括13个蛋白质编码基因（PCGs）、2个核糖体RNA基因（rRNA）以及22个转运RNA基因（tRNA）。此外，还包含一个控制区（D-loop），该区域在基因组复制和调控过程中具有重要作用。与此前研究中报道的其他蜜蜂科昆虫相比，绿金蜂的基因组结构显示出一定的相似性，同时也存在一些独特的特征，例如特定的tRNA基因结构变化，这可能对理解其进化历史具有重要意义。

本研究利用高通量测序技术对绿金蜂的线粒体基因组进行了精确解析。研究团队从一只雌性成虫的胸肌组织中提取DNA，并采用Illumina HiSeq 4000平台进行2×150 bp配对末端测序，最终获得了约2 Gb的原始测序数据。通过对这些数据进行质量控制、接头去除以及低质量序列过滤，研究团队获得了高质量的清洁数据，并利用SOAPdenovo2软件进行了基因组组装。随后，通过MITOS网络服务器对基因组进行了注释，进一步确认了其基因组成和排列顺序。为了确保测序数据的准确性，研究团队还通过PanDepth工具计算了读取覆盖深度，并结合手动检查对基因结构进行了细致的确认。

在解析基因组之后，研究团队进一步利用线粒体基因组中的蛋白质编码基因（PCGs）对蜜蜂科的系统发育关系进行了重建。他们选取了40个蜜蜂科物种或亚种的线粒体基因组数据，并结合三个外群物种（*Megachile sculptural*, *Megachile strupigera*, 和 *Euaspis polynesia*）进行分析。这些外群物种属于蜂科（Megachilidae），与蜜蜂科有较近的亲缘关系，因此被选作系统发育分析的参照。研究团队采用了最大似然法（Maximum Likelihood, ML）和贝叶斯推断法（Bayesian Inference, BI）两种方法，以确保系统发育分析的可靠性和全面性。具体而言，他们使用IQ-TREE v1.6.8软件构建了最大似然树，并采用了一个边链接分区模型进行1,000次超快速自举重复；同时，使用MrBayes v3.2.6软件构建了贝叶斯推断树，设置为每1,000代进行一次采样，总共运行了5亿次迭代，以获得足够高的置信度。

系统发育分析的结果显示，蜜蜂科的四个主要亚科——木蜂亚科（Xylocopinae）、游蜂亚科（Nomadinae）、蜜蜂亚科（Apinae）以及其他相关亚科——中，木蜂亚科和游蜂亚科呈现出单系性（monophyletic），即它们在进化树上形成一个明确的分支。然而，蜜蜂亚科则表现出多系性（paraphyletic），这表明该亚科内部可能存在复杂的进化关系，需要进一步研究以明确其分类地位。此外，研究发现绿金蜂与* Ceratina okinawana*（另一种木蜂属昆虫）形成了姐妹群关系，这说明两者在进化过程中有着密切的亲缘关系。相比之下，蜜蜂属（*Apis*）与* Lepidotrigona*（一种游蜂属昆虫）的亲缘关系更为接近，而非与* Melipona*（一种木蜂属昆虫）或* Bombus*（一种蜜蜂属昆虫）的亲缘关系。这一发现挑战了传统的分类观念，表明蜜蜂属可能在进化树上与某些其他属具有更紧密的联系。

在基因组结构方面，绿金蜂的线粒体基因组中，22个基因位于主要链（J-strand），而15个基因则位于次要链（N-strand）。这一分布模式与大多数昆虫的线粒体基因组结构相似，表明其基因组组织具有一定的保守性。然而，值得注意的是，tRNA基因中的trnS2（丝氨酸tRNA）缺失了二氢尿嘧啶（DHU）臂，这是该基因的一个显著特征。DHU臂的缺失在某些昆虫中较为常见，但其具体功能和进化意义仍有待进一步研究。此外，绿金蜂的线粒体基因组显示出对腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）的显著偏好，这一现象可能与其基因表达调控机制有关，也可能反映了其在进化过程中对特定环境条件的适应。

在密码子使用方面，绿金蜂的线粒体基因组表现出独特的特征。其中，最常使用的密码子为UUA（编码亮氨酸），其次为UCA和GGA。这一密码子使用模式可能受到其基因组的结构特征和翻译机制的影响。研究还发现，绿金蜂的线粒体基因组中，异亮氨酸（Ile）的使用频率最高，占15.08%，其次是亮氨酸（Leu，15.05%）、甲硫氨酸（Met，11.5%）和苯丙氨酸（Phe，9.08%）。相比之下，半胱氨酸（Cys）的使用频率最低，仅为0.66%。这一结果表明，绿金蜂的线粒体基因组在蛋白质合成过程中可能倾向于使用某些特定的密码子，从而影响其基因表达的效率和稳定性。这种密码子使用偏倚可能是由于基因组的进化压力、翻译效率优化或遗传漂变等因素造成的。

在系统发育分析过程中，研究团队发现，尽管采用了不同的分析方法（最大似然法和贝叶斯推断法），两种方法所得的系统发育树结构基本一致，这增强了研究结果的可信度。根据分析结果，蜜蜂科内部形成了多个单系群，包括* Melipona*、* Bombus*、* Lepidotrigona*、* Ceratina*以及* Apis*等属。这一发现与之前的研究结果相吻合，表明这些属在进化过程中具有相对稳定的分类地位。然而，某些属的分类关系仍存在争议，例如* Thyreus*、* Eucera*和* Habropoda*这三个属被归入蜜蜂亚科（Apinae），这一分类与之前的研究结果不符，提示可能需要重新评估这些属的系统发育地位。

此外，研究还发现，* Ceratina*属被归入木蜂亚科（Xylocopinae），并与其近亲* Xylocopa*属形成一个紧密的分支。这一结果表明，* Ceratina*与* Xylocopa*之间可能存在较近的亲缘关系，而* Pithitis*（* Ceratina*属的一个亚属）是否应被提升为独立属的问题，由于样本量不足，未能得到明确结论。因此，研究团队建议未来的研究应增加样本数量，以更全面地揭示* Ceratina*属内部的系统发育关系。同时，由于许多研究对象仅包含单一物种，目前的分析结果仍需进一步验证，以便更准确地反映蜜蜂科的进化格局。

绿金蜂的线粒体基因组研究不仅揭示了其遗传特征，也为理解蜜蜂科的进化历史提供了新的数据支持。通过比较不同物种的线粒体基因组，研究团队能够更清晰地识别出蜜蜂科内部的系统发育关系，并为分类学研究提供依据。此外，绿金蜂的线粒体基因组结构特征，如AT含量较高、tRNA基因的特定变化以及密码子使用偏倚等，可能与其生态适应性和进化策略有关。这些特征不仅有助于理解绿金蜂的生物学特性，也为其他蜜蜂科物种的遗传研究提供了参考。

在生态和农业应用方面，绿金蜂作为重要的传粉昆虫，其线粒体基因组的研究可能对保护传粉者多样性、优化农业生态系统以及探索生物防治策略具有重要意义。线粒体基因组通常与能量代谢密切相关，因此其结构特征可能影响昆虫的生理功能和适应能力。例如，AT含量较高可能意味着其基因组具有更高的复制效率，从而支持其在复杂生态环境中的生存和繁衍。此外，绿金蜂的传粉行为可能与其基因组中的某些特定基因有关，这些基因可能涉及其行为模式、代谢途径或免疫系统等功能。因此，进一步研究绿金蜂的线粒体基因组，将有助于揭示其在生态系统中的关键作用，并为相关研究提供理论支持。

本研究的成果不仅拓展了我们对蜜蜂科线粒体基因组的认知，也为系统发育研究提供了新的数据来源。线粒体基因组因其遗传稳定性、高突变率和易于测序的特点，常被用作系统发育分析的重要工具。通过比较不同物种的线粒体基因组，研究团队能够更准确地重建其进化关系，并为分类学研究提供依据。此外，绿金蜂的线粒体基因组数据还可能为其他相关研究提供参考，例如昆虫疾病的传播机制、物种间的基因流动以及环境适应性的遗传基础等。

综上所述，本研究首次解析了绿金蜂的线粒体基因组，并通过系统发育分析揭示了蜜蜂科内部的进化关系。研究结果不仅为理解绿金蜂的遗传结构和进化历史提供了新的视角，也为蜜蜂科的分类学研究和生态学应用奠定了基础。未来的研究应进一步扩大样本量，以更全面地揭示蜜蜂科的系统发育格局，并探索线粒体基因组在昆虫适应性进化中的具体作用。此外，绿金蜂的线粒体基因组数据还可用于比较基因组学研究，以揭示不同传粉昆虫之间的遗传差异和相似性，从而为保护和利用传粉者资源提供科学依据。