评估齿蛉科双亚科体系的有效性：一种综合分类学方法

《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Assessing the validity of the two-subfamily system in the Nemouridae: An integrated taxonomic approach

　　

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  在本研究中，为了阐明尼氏蠼科内部的系统发育关系，分别利用线粒体基因组和单拷贝基因建立了矩阵，并构建了尼氏蠼科的系统发育树。

引言

全北界尼氏蠼科（昆虫纲、襀翅目）由Billberg（1820年）建立。Nemouridae的更广泛概念最早由Klapálek（1905年）重新审视，当时他将该分类单元划分为我们今天认可的四个科：Capniidae（丝蠼科）、Leuctridae（拟尼氏蠼科）、Nemouridae sensu stricto（狭义尼氏蠼科）和Taeniopterygidae（扁襀科）。Kempny（1898年）此前已将欧洲尼氏蠼科分为两个亚属：Amphinemurinae（双尼氏蠼亚科）和Nemourinae（尼氏蠼亚科）。Kimmins（1940年）进一步将Nemouridae细分为属Amphinemura Ris, 1902、Protonemura Kempny 1898、Nemoura Latreille 1796和Nemurella Kempny 1898。这一分类系统被Claassen（1940年）在第一个全球范围的襀翅目名录中采用。Ricker（1952年）进一步修订了北美尼氏蠼科，将Nemoura分为12个亚属，其中包括9个新描述的亚属。Illies（1966年）将Ricker所有的尼氏蠼亚属提升至属级，使当时共认可的属数达到14个。随后，Baumann（1975年）基于颈鳃分枝和雄性生殖器（即副肛叶）等特征扩展了Illies的系统，提出将Nemouridae分为两个亚科——Amphinemurinae和Nemourinae，并建立了3个新属，使总数达到17个（见图1）。

Shimizu和Sivec（2001年）基于包括若虫尾须球形肿胀和成虫具有两对香肠状分枝颈鳃等特征建立了属Sphaeronemoura。同年，Baumann和Fiala（2001年）描述了Nanonemoura，该属仅包含一个物种，其特征为翅退化、两对颈鳃各有三个分枝，以及雄性副肛叶具有两个具刺的内叶。Sivec和Stark（2009年）建立了单型属Tominemoura，其特征为两对颈鳃，其中内对有两个分枝，外对有三个分枝。最近，Mo等（2020年）基于包括雄性端肛叶上存在中硬化片和副肛叶侧向延伸等特征描述了单型属Sinonemura。

迄今为止，全球范围内已认可Nemouridae包含21个属和超过800种。目前所理解的Amphinemurinae由7个属组成：Amphinemura、Indonemoura Baumann, 1975、Malenka Ricker, 1952、Mesonemoura Baumann, 1975、Protonemura和Sphaeronemoura。Nemourinae亚科包含15个属：Tominemoura、Illiesonemoura Baumann, 1975、Nemoura、Sinonemura、Zapada Ricker, 1952、Lednia Ricker, 1952、Nanonemoura、Nemurella、Ostrocerca Ricker, 1952、Paranemoura Needham & Claassen, 1925、Podmosta Ricker, 1952、Prostoia Ricker, 1952、Shipsa Ricker, 1952、Soyedina Ricker, 1952和Visoka Ricker, 1952。

仅在中国，目前已记录了9个属和250种（DeWalt等，2024年）。与大量基于形态学的尼氏蠼类群概念文献相比，在种、属和亚科尺度上基于分子的系统发育分析相对较少（Mo等，2021年）。几个关键的知识空白仍然存在，即：1）几个属（如Illiesonemoura、Sinonemura）缺乏任何分子尺度的数据；2）几个属（如Malenka、Lednia、Nemurella、Ostrocerca）在基因组数据库中（即GenBank）仅由单一个体物种代表；3）中国的尼氏蠼科物种在基因组数据库中总体上代表不足。总体而言，这些挑战阻碍了全面的系统发育重建和严格的分类验证。

近年来几项分子研究（Chen & Du, 2018; Ding等, 2019; Guo等, 2022; Cao等, 2024; Wang等, 2019）对Nemouridae传统的两亚科框架提出了挑战。Amphinemurinae的单系性受到Malenka和Amphinemura不稳定位置的影响，而北美属Lednia、Ostrocerca和古北界的Nemurella始终形成与其余Nemouridae互为姐妹群的分组。最近的转录组分析（South等, 2021年）进一步证实了这些与基于形态学的分类不相容之处。总的来说，Malenka和Amphinemura与其他Amphinemurinae属的一致分离表明该亚科为并系群，需要重新评估。

本文利用线粒体基因组和单拷贝基因对Baumann（1975年）最近提出的两亚科系统假说进行了探讨。

本研究探讨了Baumann（1975年，其图2）的Nemouridae两亚科系统能否通过基因组尺度的系统发育分析得到支持。本研究还检验了Amphinemurinae和Nemourinae两个亚科各自是否为单系群。尽管本研究主要关注从采集的物种中获得的序列，但有足够的分类覆盖范围来检验所有三个假说。

章节摘要

测序与基因组组装

使用快速流程PLWS v1.0.5（https://github.com/xtmtd/PLWS/, Zhang等, 2019）组装基因组尺度数据，具体步骤如下：使用BBTools v38.29（Bushnell, 2014）进行质量控制和标准化，使用Minia v3.2（Chikhi and Rizk, 2013）进行六轮（k-mer值为21–121）叠合群组装，使用Redundans v0.13c（Pryszcz and Gabaldón, 2016）去除冗余叠合群，使用BESST v2.2.8（Sahlin等, 2014）进行支架构建，使用GapCloser v1.12（Luo等, 2015）进行缺口填充。

基于线粒体基因组的系统发育分析

我们的分析包含49个物种，其中13个是为本研究新测序的（表4-1）。这些线粒体基因组包含Amphinemurinae的26个物种和Nemourinae的18个物种。

所有分析均显示Malenka和Amphinemura的放置位置存在显著的系统发育不稳定性，在八个重建的树中产生了六种不同的拓扑结构（图S2）。值得注意的是，Nemourinae亚科（Baumann, 1975）的单系性在所有共识框架中均未得到支持。Lednia始终被放置在……

两亚科系统是否有效？

两种分子数据源均无法恢复经典的两亚科系统。线粒体基因组的结果并不矛盾，它们只是无法恢复任何一个亚科。相反，它们以高支持度恢复了不同的分组。与大多数先前的分子研究（Terry和Whiting, 2003; Zhao等, 2020; Cao等, 2021; Wang等, 2021; Guo等, 2022; Wang等, 2024）一致，Nemourinae亚科的单系性仍未得到支持。值得注意的是，Wang等……

结论

本研究阐明了尼氏蠼科两个亚科之间的系统发育关系。关键发现表明，成虫和成熟若虫颈鳃的有无及其复杂程度与亚科或属级界限并不绝对相关。然而，它可能代表该科的祖先特征，因为最早分化的属颈鳃发育最不发达，而所有冠群属都包含众多（如果不是全部的话）颈鳃单位。

数据声明

原始测序数据已存入NCBI，BioProject登录号为PRJNA1377249和PRJNA1517567，SRA登录号为SRR36446997–SRR36447003和SRR40446557–SRR40446559。详见附表S1。

CRediT作者贡献声明

Xiao Yang：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法，调查，获取资金，正式分析，数据管理。Qing-Bo Huo：撰写——初稿，可视化，调查，概念化。Scott A. Grubbs：撰写——审阅与编辑，监督。Ya-Fei Zhu：资源，方法，数据管理。Abdur Rehman：撰写——审阅与编辑，可视化，验证。Yu-Zhou Du：项目管理，获取资金，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32370480; 32400355）和江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX24_3795）的支持。我们感谢两位外部审稿人提供的意见，这些意见提高了本文的整体质量。

Xiao Yang|Qing-Bo Huo|Scott A. Grubbs|Ya-Fei Zhu|Abdur Rehman|Yu-Zhou Du