酱香大曲饲养条件下赤拟谷盗(Tribolium castaneum)线粒体全基因组特征及其适应性进化研究

本研究首次解析了酱香大曲饲养环境下赤拟谷盗(Tribolium castaneum)的线粒体全基因组(15,885 bp，GenBank PV563855)，发现其独特的cox1(CTG)/nad1(TTG)起始密码子、nad3基因移码突变及控制区多态性特征。通过与中国江苏、美国加州品系的比较基因组分析，揭示了线粒体基因组(mtDNA)在13个蛋白编码基因(PCGs)、22个转运RNA(tRNA)和2个核糖体RNA(rRNA)上的适应性变异，为理解仓储害虫在发酵环境(60-65°C高温、有机酸胁迫)下的进化机制提供了新视角。

　　

1 引言

赤拟谷盗作为全球性仓储害虫，在中国酱香型白酒核心产区表现出对大曲发酵剂的特殊适应性。酱香大曲作为多菌种发酵基质(含芽孢杆菌Bacillus、曲霉Aspergillus等)，其高温(60-65°C)发酵环境与常规谷物储藏条件存在显著差异。研究团队推测这种独特生态位可能驱动了赤拟谷盗线粒体的适应性变异，特别是涉及能量代谢的13个蛋白编码基因(PCGs)和氧化磷酸化相关通路。

2 材料与方法

样本采自贵州茅台镇酱香大曲(27°51′N, 106°22′E)，通过Illumina NovaSeq平台完成全基因组测序(覆盖深度1580.97×)。采用SPAdes v3.9.0组装线粒体基因组，MITOS服务器注释功能元件。比较分析涵盖美国加州(NC_003081)和中国江苏(KM009121)两个已发表品系。

3 结果

3.1 基因组特征

新组装的线粒体基因组(15,885 bp)呈现典型昆虫环状结构，A+T含量达71.81%。与参考品系相比，该基因组在cox1和nad1基因起始密码子出现显著变异(分别为CTG和TTG)，且nad3基因因5594位点胸腺嘧啶(T)插入导致开放阅读框(ORF)重构，使N端20个氨基酸完全改变。

3.2 蛋白编码基因变异

13个PCGs中，nad5(1713 bp)和atp8(159 bp)分别成为最长与最短基因。非同义突变集中出现在nad5、nad4等复合物I亚基基因，可能导致NADH脱氢酶功能重塑。值得注意的是，nad3基因的移码突变虽改变N端结构域，但通过SWISS-MODEL预测显示其C端功能域仍保持完整。

3.3 非编码区特征

控制区(1238 bp)呈现82.80%的A+T偏好性，较江苏品系(82.30%)和加州品系(82.50%)存在26个单核苷酸变异(SNVs)。tRNA二级结构分析显示，除trnS1(AGN)缺失二氢尿嘧啶(DHU)臂外，其余21个tRNA均保持典型三叶草结构。

4 讨论

研究首次揭示了酱香大曲环境下赤拟谷盗线粒体的独特进化特征：

1. 1.

   非典型起始密码子可能增强高温环境下的翻译效率；

2. 2.

   nad3移码突变与已知的昆虫海拔适应性变异(dN/dS=0.38)机制相似；

3. 3.

   控制区高变特性可能响应发酵代谢产物的选择压力。这些发现为开发基于线粒体靶标的害虫防控策略提供了分子基础。

5 结论

该研究填补了发酵食品生态系统中害虫适应性进化研究的空白，后续可通过热激实验和代谢组学验证突变的功能意义。研究结果对保障中国传统发酵食品安全生产具有重要应用价值。