直翅目昆虫系统发育研究新突破：基于超保守元件(UCE)靶向捕获技术的基因组学分析

本研究针对直翅目(Orthoptera)系统发育研究缺乏高效基因组学工具的难题，创新性设计"Orthoptera-UCEbaitset-v1"探针组（15,651条120 bp探针靶向1,361个UCE位点），通过in-silico测试从107个物种中成功构建高支持度系统树，证实UCE技术可跨越外显子、内含子和基因间区，为攻克直翅目超大基因组（1.5-21.48 Gb）的进化研究提供新范式。

　　

直翅目昆虫作为早期分化的昆虫类群，拥有近3万种物种，在生态和经济领域扮演重要角色。然而，其超大基因组（部分物种超过20 Gb）和复杂的基因组特征，使得系统发育研究远落后于其他昆虫类群。尽管近期开发的OR-TE探针组能捕获外显子区域，但直翅目系统发育研究仍缺乏覆盖全基因组区域的分子标记。针对这一挑战，研究人员开展了基于超保守元件(Ultraconserved Elements, UCE)的创新研究。

中国科学院生物多样性研究所的研究团队通过分析7个直翅目代表物种的基因组数据，采用phyluce生物信息学流程设计出首个直翅目特异性UCE探针组"Orthoptera-UCEbaitset-v1"。该探针组包含15,651条120 bp探针，靶向1,361个UCE位点。研究团队从107个物种的公开基因组/转录组数据中in-silico提取UCE位点，构建40%、50%、60%三种完整度矩阵，结合SWSC-EN算法分区和最大似然法(ML)进行系统发育重建。相关成果发表于《Molecular Phylogenetics and Evolution》。

关键技术包括：1）基于7个直翅目基因组（代表2亚目4科）设计UCE探针；2）从107个物种（含2个蜚蠊目外群）的公开数据中提取UCE；3）使用MAFFT比对和Gblocks修剪；4）SWSC-EN分区和IQ-TREE重建系统树；5）与OR-TE外显子数据集整合分析。

【UCE探针统计】设计的探针组平均从93个物种中回收387.15个UCE位点（105-683），40%完整度矩阵包含489个位点（总长765,572 bp）。基因组大小（1.28-9.94 Gb）与UCE回收量无显著相关性。

【直翅目UCE系统树】所有矩阵均强支持直翅目分为螽亚目(Ensifera)和蝗亚目(Caelifera)。蝗亚目中，蚱总科(Tetrigoidea)单系，而蝗总科(Acridoidea)因锥头蝗科(Pyrgomorphidae)嵌入而非单系。螽亚目分为两大支：蟋蟀总科(Grylloidea)+蝼蛄总科(Gryllotalpoidea)支和螽斯总科(Tettigonioidea)+沙螽总科(Stenopelmatoidea)支，其中Rhaphidophoridae作为Tettigoniidea的基部分支。

【组合数据集分析】UCE+外显子组合数据集（最长2,663,378 bp）显示：1）锥头蝗科在蝗总科内的嵌入模式与UCE-only结果一致；2）Romaleidae在所有组合树中均为非单系；3）螽亚目内部拓扑与UCE-only树存在细微差异。

【探针重叠测试】UCE与OR-TE探针在G. bimaculatus基因组上的重叠分析显示：1,564个OR-TE特有区域、1,026个UCE特有区域和213个部分重叠区域，证实两种探针主要靶向不同基因组区域。

该研究首次证实UCE技术能有效解决直翅目系统发育难题。与仅靶向外显子的OR-TE探针相比，UCE探针覆盖更广的基因组区域（外显子、内含子、基因间区），为研究直翅目超大基因组的进化提供了新工具。特别值得注意的是，UCE数据能独立验证OR-TE研究的主要结论（如直翅目两亚目划分），同时揭示新的系统发育关系（如锥头蝗科在蝗总科内的系统位置）。研究还提出三种UCE应用策略：1）大数据量基因组by-catch；2）in-vitro靶向富集；3）分类群特异性探针设计，为攻克直翅目基因组挑战提供灵活解决方案。

这项工作的意义在于：1）开发首个直翅目UCE探针组，填补该目缺乏UCE工具的空白；2）证实UCE可作为外显子数据的有效补充；3）为研究超大基因组昆虫的进化建立方法学框架。未来需要整合更多数据源（如形态学、行为学）和扩大分类采样，以完善直翅目系统发育理论体系。