低覆盖度短读长测序揭示青藏高原特有蝗虫Ptygonotus chinghaiensis的基因组特征与高海拔适应机制

本研究通过低覆盖度短读长测序技术（low-coverage short-read sequencing）首次解析了青藏高原特有蝗虫Ptygonotus chinghaiensis的基因组特征，揭示了其12.17 Gb超大基因组中72.34%为重复序列（以DNA转座子、LTR反转录转座子和LINEs为主），并发现近期转座子（TEs）爆发是驱动基因组扩张的关键因素。研究还成功组装了45S rRNA DNA操纵子和16,750 bp线粒体基因组，通过系统发育分析将物种分化时间定位至晚中新世（10.84 Mya），为理解高原昆虫适应性进化提供了重要分子证据。

　　

青藏高原作为全球最年轻的高原，孕育了独特的生物多样性，但其极端环境（低氧、强紫外线、低温）下的昆虫适应性进化机制仍知之甚少。尤其对于蝗虫这类具有超大基因组（5.6-20 Gb）的类群，基因组特征与高海拔适应的关联更是研究空白。陕西师范大学生命科学学院的研究人员选择青藏高原特有蝗虫Ptygonotus chinghaiensis为研究对象，通过低覆盖度短读长测序技术，首次揭示了这一神秘物种的基因组奥秘，相关成果发表在《BMC Genomics》。

研究采用Illumina HiSeq X Ten平台生成150 bp双端测序数据（总量1,005,698,312 reads），通过k-mer分析估算基因组大小，利用RepeatExplorer和RepeatMasker注释重复序列，TAREAN组装核糖体操纵子，GetOrganelle拼接线粒体基因组，并结合KaKs_Calculator和BEAST进行选择压力分析与分化时间估算。

基因组大小与重复元件特征
通过31-mer频率分布估算P. chinghaiensis单倍体基因组达12.17 Gb，72.34%为重复序列。DNA转座子（12.81%）、LTRs（9.48%）和LINEs（8.6%）构成主要重复元件，近期TEs爆发（Kimura距离15-20%）是基因组扩张主因。发现24个卫星DNA家族（总占比2.03%），其中PtySat12-3043（3043 bp）创下直翅目卫星DNA长度纪录。

核糖体操纵子结构
成功组装8000 bp的45S rRNA操纵子，包含18S ssrRNA（1910 bp）、5.8S rRNA（163 bp）、28S lsrRNA（4530 bp）及ITS/ETS间隔区，为后续系统发育研究提供新标记。

线粒体基因组进化
16,750 bp线粒体基因组显示典型昆虫基因排列，但trnK与trnD易位。13个PCGs均受纯化选择（Ka/Ks<1），其中cox1和cytb选择压力最强（Ka/Ks<0.1），可能与飞行能力退化相关。1917 bp控制区（CR）含5种微卫星重复和102 bp串联重复，其复杂二级结构暗示复制调控特殊性。

系统发育与分化时间
基于35种蝗虫线粒体基因组的分析表明，P. chinghaiensis与Eclipophleps carinata构成姐妹群，分化时间为晚中新世10.84 Mya（95% HPD:5.39-16.93 Mya），与青藏高原隆升关键时期吻合。

该研究首次绘制了高原蝗虫的基因组图谱，揭示TEs动态扩张是超大基因组形成的关键驱动力，为理解极端环境下的基因组进化提供了范例。线粒体基因的强纯化选择反映了高原适应的功能约束，而核糖体与重复元件数据则为直翅目系统发育研究开辟了新路径。这些发现不仅填补了高原昆虫基因组学空白，也为生物多样性保护提供了分子层面的科学依据。