五螳螂基因组揭示性染色体演化与螳螂目系统发育之谜

《GigaScience》：The genomes of five mantises provide insights into sex chromosome evolution and Mantodea phylogeny clarification

为解决螳螂目(Mantodea)基因组资源匮乏、性染色体演化机制不清及系统发育关系存在争议等问题，研究人员对欧洲螳螂(Mantis religiosa)、中华大刀螳(Tenodera sinensis)、三角枯叶螳(Deroplatys truncata)、兰花螳螂(Hymenopus coronatus)及金属螳(Metallyticus violacea)进行了染色体级别基因组测序。研究揭示了转座子(TE)扩张是螳螂基因组大小的主要驱动力，并推断螳科(Mantidae)物种的X1X2Y性染色体系统源于X染色体与常染色体间的易位。此外，系统发育分析表明三角枯叶螳与兰花螳螂亲缘关系更近，为螳螂目分类提供了重要依据。

　　

螳螂，这种在自然界中扮演着“冷面杀手”角色的昆虫，不仅因其独特的捕食姿态而闻名，更在农业害虫防治、仿生学及传统医药中具有重要价值。然而，尽管螳螂目拥有约2500个物种，其基因组资源却极为有限，这严重阻碍了对其演化历史、行为机制及性染色体演化的深入研究。特别是，螳螂目中的螳科物种（如欧洲螳螂和中华大刀螳）拥有一种罕见的X₁X₂Y型性染色体系统，其形成机制尚不明确。此外，螳螂目内部的系统发育关系也存在争议，例如，枯叶螳属(Deroplatys)物种的形态特征与花螳科(Hymenopodidae)更为相似，但其传统分类地位却被归入螳科，这为螳螂的准确分类和演化研究带来了挑战。

为了填补这些空白，由Hangwei Liu和Lihong Lei作为共同第一作者，Guirong Wang和Wei Fan作为共同通讯作者的研究团队，在《GigaScience》杂志上发表了一项重要研究。他们利用PacBio HiFi长读长测序和Hi-C技术，成功构建了五种代表性螳螂物种的染色体级别参考基因组，包括欧洲螳螂(Mantis religiosa)、中华大刀螳(Tenodera sinensis)、三角枯叶螳(Deroplatys truncata)、兰花螳螂(Hymenopus coronatus)和金属螳(Metallyticus violacea)。这些高质量的基因组数据为深入解析螳螂的演化奥秘提供了宝贵的资源。

关键实验方法

本研究首先采集了五种螳螂的样本，其中欧洲螳螂和中华大刀螳采自广州森林，兰花螳螂采自西双版纳热带雨林，三角枯叶螳和金属螳则来自北京的两个人工繁育中心。研究人员利用PacBio Sequel II系统对雌性个体进行了HiFi长读长测序，并利用Illumina NovaSeq 6000平台对同一批样本进行了Hi-C测序。基因组组装采用Hifiasm软件，并利用YaHS或EndHiC软件结合Hi-C数据进行染色体级别挂载。基因注释整合了从头预测、转录组证据和同源比对的结果。通过比较基因组学分析，研究人员深入探究了转座子(TE)的组成与演化、性染色体的起源以及螳螂目的系统发育关系。

研究结果

1. 五种螳螂的高质量基因组组装

研究人员成功获得了五种螳螂的染色体级别基因组。组装结果显示，这五种螳螂的基因组大小在2.3 Gb至4.2 Gb之间，其中三角枯叶螳的基因组最大，金属螳的基因组最小。所有基因组的连续度(Contig N50)均表现优异，其中金属螳的Contig N50高达109 Mb。通过BUSCO评估，注释的蛋白质编码基因集的完整性高达96.7%至98.4%，表明这些基因组组装和注释的质量非常高。与之前发表的螳螂基因组相比，本研究获得的组装连续度显著提升，例如，兰花螳螂的Contig N50从之前的15.7 Mb提升至71.5 Mb，中华大刀螳的Contig N50从2.36 Mb提升至12.7 Mb，这为后续的演化分析提供了更可靠的基础。

2. 转座子扩张是螳螂基因组大小的主要驱动力

为了探究螳螂基因组大小差异的原因，研究人员对转座子(TE)进行了深入分析。结果发现，螳螂的基因组大小与TE含量呈显著正相关。螳科物种（欧洲螳螂和中华大刀螳）的基因组相对较小（2.3-2.8 Gb），TE含量也较低（58-63%）；而其他三种螳螂（三角枯叶螳、兰花螳螂和金属螳）的基因组较大（3.1-4.3 Gb），TE含量也更高（67-68%）。这表明TE的扩张是导致螳螂基因组大小差异的主要因素。

进一步分析发现，不同螳螂谱系中扩张的TE类型存在显著差异。螳科物种中，长散在核元件(LINE)是最大的TE组分，其中欧洲螳螂近期经历了一次LINE的急剧扩张，这可能是其基因组大于中华大刀螳的原因。而在三角枯叶螳和兰花螳螂中，DNA转座子（特别是Tc1-IS630-Pogo家族）是主要的TE组分。三角枯叶螳经历了近期和远古两次Tc1的爆发，同时其Helitron转座子也经历了爆发，这共同导致了其拥有本研究中最庞大的基因组（4.3 Gb）。相比之下，金属螳的基因组中未发现近期积累的TE，这解释了其为何拥有最小的基因组。

3. 螳科物种X₁X₂Y性染色体系统的起源

螳科物种拥有罕见的X₁X₂Y型性染色体系统。为了揭示其起源，研究人员首先通过雌雄个体测序深度的差异，在中华大刀螳中鉴定出了两个X染色体（X₁和X₂）。通过比较基因组学分析，研究人员发现，螳科物种的X₁和X₂染色体仅有一部分区域（X₁L和X₂L）与其他螳螂物种的X染色体存在共线性关系。这一发现表明，螳螂的共同祖先只拥有一个X染色体，而螳科物种的X₁X₂Y系统是在其祖先中，通过X染色体与一个常染色体之间发生大规模易位而形成的。研究人员进一步在中华大刀螳的X₁和X₂染色体上分别定位了易位断点所在的区域，这些区域富含转座子和串联重复序列，这为理解性染色体演化的分子机制提供了重要线索。

4. 螳螂目系统发育关系的澄清

为了澄清螳螂目内部的系统发育关系，研究人员利用4014个单拷贝直系同源基因构建了系统发育树。结果显示，金属螳作为螳螂目早期分化的谱系，其分支长度明显短于其他螳螂，表明其从螳螂共同祖先分化后积累的碱基替换更少，这与它保留了许多类似蟑螂的祖先形态特征相符。系统发育树还清晰地显示，三角枯叶螳与兰花螳螂（花螳科）的亲缘关系更近，而非与螳科物种（欧洲螳螂和中华大刀螳）聚在一起。这一结果挑战了传统分类学将枯叶螳属归入螳科的观点，为螳螂目的准确分类和系统发育研究提供了强有力的基因组证据。

结论与讨论

本研究成功构建了五种螳螂的高质量染色体级别基因组，为螳螂目的演化研究提供了宝贵的资源。研究揭示了转座子(TE)扩张是螳螂基因组大小差异的主要驱动力，并阐明了螳科物种X₁X₂Y性染色体系统起源于X染色体与常染色体之间的易位。此外，系统发育分析澄清了三角枯叶螳与兰花螳螂的亲缘关系更近，为螳螂目的分类学修订提供了关键证据。这些发现不仅深化了我们对螳螂演化历史的理解，也为未来利用螳螂进行生物防治、仿生学应用和遗传育种研究奠定了坚实的分子基础。