昆虫线粒体基因组学十年进展：从测序技术革新到进化模型构建

这篇综述系统回顾了过去十年昆虫线粒体（mt）基因组研究的重大突破，重点阐述了新一代测序（NGS）技术如何推动全mt基因组测序常规化，揭示了mt与核基因组（phylogenomics）系统发育分析的协同与分歧，深入探讨了基因重排（genome rearrangements）与单倍二倍性（haplodiploidy）的关联机制，并评述了基因组碎片化（fragmentation）和控制区复制等独特模型系统的研究价值。

　　

【ADVANCES IN GENOME SEQUENCING AND ANNOTATION】

新一代测序（NGS）技术的普及彻底改变了昆虫线粒体（mt）基因组研究格局。从早期依赖Sanger测序长PCR产物，发展到直接对基因组DNA进行测序（genome skimming），使得博物馆标本和亚化石材料也能获得高质量数据。值得注意的是，基于纳米孔（Nanopore）的长读长测序和自适应选择测序技术可将mt基因组 reads 富集60倍。在组装方法上，靶向迭代组装策略（如MitoBIM、NOVOPlasty）显著优于全基因组de novo组装，但面对高度分化的物种或碎片化基因组时仍存在局限。尽管MITOS等注释工具已广泛应用，但GenBank中仍存在大量未注释或错误注释的数据，例如鳞翅目研究中发现单个基因组最多存在13处注释错误。

【INSECT MITOCHONDRIAL GENOME DATA】

过去十年间昆虫mt基因组数据量激增876%，覆盖物种达5,800余种（约占描述物种的0.5%）。鞘翅目（Coleoptera）和膜翅目（Hymenoptera）相对其物种多样性仍采样不足，而蜚蠊目（Blattodea）凭借Bourguignon团队的系统工作成为研究最充分的类群。目前73%的超科和47%的科已有代表序列，但部分类群如蜉蝣目（Ephemeroptera）和蜻蜓目（Odonata）的科级覆盖率仍低于30%。Ge等学者对毛翅目（Trichoptera）的研究示范了定向采样如何快速提升类群代表性——单次研究将科级覆盖率从19%提升至57%。

【MITOCHONDRIAL PHYLOGENOMICS OF INSECTS】

比较23个目的mt与核基因组系统发育发现，16个目的主要支系关系高度一致，但蜻蜓目、螳螂目和双翅目存在显著分歧。在分析方法上，AliGROOVE可视化、位点异质性模型（如CAT）和逐步去除噪声位点等方法能有效应对组成异质性和速率变异问题。特别值得关注的是，全基因组碎片化的虱类（Phthiraptera）和书虱（Liposcelis）中检测到频繁的基因重组现象，其非编码区在个体内呈现协同进化特征。这些发现挑战了传统动物mt基因组保守进化的认知。

【GENOME REARRANGEMENTS AND INSECT EVOLUTION】

昆虫mt基因重排主要包含易位（translocation）、倒位（inversion）和倒位易位三种类型，其中93%的案例可通过串联复制随机丢失（tandem duplication-random loss）模型解释。引人注目的是，单倍二倍性（haplodiploidy）类群普遍表现出更高的重排速率：蚜小蜂科（Aleyrodidae）、蓟马（Thysanoptera）和膜翅目均呈现极端重排模式，但象甲科（Curculionidae）中单倍二倍性类群却未发现类似现象。这种矛盾可能源于单倍二倍性在核型表现上的连续变异——从完全单倍二倍体到父系基因组消除（paternal genome elimination）的不同机制可能对mt基因组产生差异化影响。

【INSECT MITOCHONDRIAL GENOME MODEL SYSTEMS】

虱类（Phthiraptera）和书虱（Liposcelis）的mt基因组碎片化（fragmentation）研究为理解真核生物细胞器进化提供了独特视角。在54种已测序虱类中，mt基因组分裂成10余个微型染色体（minicircles）的现象独立起源至少8次，并伴随蛋白编码基因选择压力松弛（dN/dS接近1.0）和AT偏好性降低。相比之下，蓟马（Thysanoptera）中保守的非串联控制区复制则展现了另一种进化奇观——在Thripinae亚科中，两个控制区稳定保留了约6000万年，可能通过改变复制机制影响核苷酸替代速率。这些特殊模型为研究基因组结构约束下的分子进化提供了天然实验系统。

【FUTURE DIRECTIONS】

新兴研究方向正将昆虫mt基因组研究推向功能进化领域。核质不相容（mitonuclear incompatibility）理论在叶甲（Chrysomelidae）和果蝇（Drosophila）中的实证表明，mt与核编码基因的协同进化可能驱动生殖隔离。而在高海拔适应的蜂类、蝶类和蝗虫中，检测到OXPHOS通路基因的正选择信号（dN/dS>1）。未来需要更多系统研究来区分适应性进化与中性突变积累，特别是结合群体基因组数据和环境梯度分析。这些进展将深刻影响DNA条形码等应用领域的理论基础。