冈瓦纳回声：南极甲螨Maudheimia petronia（蜱螨目：Maudheimiidae科）揭示深层时间隔离与高度修饰的线粒体转运RNA

《Zoological Journal of the Linnean Society》：Echoes of Gondwana: Antarctic mite, Maudheimia petronia (Acari: Maudheimiidae), reveals deep-time isolation and highly modified mitochondrial transfer RNAs

　　

摘要 据估计，螨类拥有50 000–100 000个已描述物种，是螯肢动物亚门（Chelicerata）中多样性最高的类群，其中包括适应地球上一些最严酷环境（如南极洲）的谱系。本研究结合线粒体基因组学、种群遗传学和形态学分析，对南极甲螨 Maudheimia petronia 进行了研究，该物种是维多利亚地（Victoria Land）特有的疑似冈瓦纳（Gondwanan）孑遗谱系。基于线粒体蛋白质编码基因（protein-coding genes, PCGs）的系统发育分析将 Maudheimia 置于短肛螨亚目（Brachypylina）内，并支持其与角螨总科（Ceratozetoidea）的亲缘关系。除物种水平鉴定外，研究还将结果置于更广泛的系统发育背景下，通过讨论无气门亚目（Sarcoptiformes）和甲螨亚目（Oribatida）内部的关系，以阐明更高层次的进化模式。线粒体基因组表现出保守的蛋白质编码基因排列，但转运RNA（transfer RNAs, tRNAs）高度衍生，包括广泛的臂减少、频繁的错配和基因重叠。对三个孤立地点的种群分析揭示了具有地理结构但同种（conspecific）的种群，这与南极避难所（refugia）中的长期持续存在一致。通过光学显微镜和扫描电子显微镜获得的形态学观察结果证实了 M. petronia 的诊断特征，并显示种群间具有显著的形态稳定性。这些结果为南极甲螨的进化历史、线粒体基因组进化和历史生物地理学提供了新的见解。

论文解读

一、研究背景与科学问题

螨类（mites）是螯肢动物亚门中多样性最高的类群，已描述物种估计达50 000至100 000种，能够适应地球上几乎所有类型的栖息地，包括极端环境。南极洲作为地球上最极端的环境之一，其陆生节肢动物长期以来被认为长期暴露于均匀严酷的气温条件下，但近年研究挑战了这一传统观点，表明土壤和池塘等微栖息地可经历比周围大气明显更温暖且更热稳定的条件。过去二十年的研究重塑了人们对南极陆生生物群历史的理解，支持多样化的特有谱系通过多次冰川周期在长期无冰避难所中持续存在，而非反复的近期再迁居事件。南极特有的无气门类甲螨属 Maudheimia（甲螨亚目：Maudheimiidae科）与高海拔岩石栖息地相关，具有弱骨化的外骨骼和基于地衣的食性。该属是Maudheimiidae科的唯一代表，包含四个分布于南极大陆隔离地区的同域物种，跨越南极保护生物地理区域（ACBRs）的三个分区。其中 M. petronia 特有于维多利亚地，分布于南北维多利亚地。尽管该属具有重要的生态和生物地理学意义，但其进化历史和系统关系的关键方面仍知之甚少。本研究采用结合形态学和线粒体DNA（mtDNA）分析的多学科方法，对维多利亚地三个 M. petronia 种群进行研究，旨在评估种群间遗传变异、表征线粒体基因组特征、阐明 Maudheimia 在甲螨亚目中的系统发育位置，并利用光学和电子显微镜重新检验关键形态性状。

二、研究内容与主要结论

研究人员对2017–2018和2018–2019南极夏季在维多利亚地三个地点采集的 M. petronia 样本进行了综合分析。线粒体基因组分析显示，M. petronia 的mtDNA是14 468个核苷酸的环状分子，包含后生动物典型的37个基因。碱基组成偏向腺嘌呤和胸腺嘧啶（AT%=68），J链上AT和CG偏斜均为正值。9个PCGs以标准甲硫氨酸密码子（ATA或ATG）起始，而 cox2、cox3、nad2 和 nad5 以ATT起始。终止密码子或为完整（TAA或TAG），或为不完整（TA-或T--）。相邻基因间存在小规模重叠，间隔区长度从几个核苷酸到 nad1–trnM 连接处的123个核苷酸不等。比较分析表明，Brachypylina物种间的线粒体基因排列总体保守，特别是PCGs，存在两个不变的大基因块。M. petronia 的基因排列与 Chamobates pusillus 完全相同，与 Oribatula sp. 仅有一个重排差异。预测的多个tRNAs偏离典型的三叶草结构：tRNA C缺乏T和D臂，许多其他tRNA仅保留其中一个臂，tRNA A和tRNA V在基因组其他区域存在替代形式。螺旋内预期核苷酸配对中有8.7%为错配。基因重叠频繁，跨度从2到21个核苷酸，甚至涉及同向链上的相邻tRNA基因或PCG与tRNA基因。基于线粒体PCGs的系统发育分析产生大体一致的拓扑结构，一致恢复支持将无气门亚目（Astigmata）和甲螨亚目（Oribatida）分开的二分关系，但 Steganacarus magnus 例外，其位于其余内群分类单元的基础位置，形成Desmonomatida支的基础，落在其他单系甲螨亚目之外，表明无气门类螨起源于甲螨类内部，使甲螨亚目成为并系。研究支持Brachypylina和Nothrina的单系性，并表明Astigmata在并系的甲螨亚目 s.l. 内出现。在Brachypylina内部，分析不支持Ceratozetoidea的单系性，因为 Eupelops contaminatus（Phenopelopoidea）嵌套在Ceratozetoidea内部。M. petronia 与 (C. pusillus + E. contaminatus) 支形成姐妹群关系，Ceratozetella imperatoria 为最基础分类单元，这一关系在氨基酸和第一二密码子位置树中得到支持。种群遗传学分析比较了来自三个隔离种群的66个 cox1 条形码片段，共发现18个单倍型，无一在地点间共享。Kay Island的22个标本仅恢复一个单倍型，多样性指数为零。Crater Cirque的19个标本中共有10个单倍型，单倍型多样性（0.889）和核苷酸多样性（0.0096）均为最高。Starr Nunatak标本获得7个单倍型，单倍型多样性为0.66，核苷酸多样性为0.0016。Crater Cirque单倍型的种群内 p-距离范围为0.15%至2.44%，超过最大种群间 p-距离2.13%。单倍型网络揭示线粒体谱系的清晰地理结构，分为两个主要类群：第一组包含Starr Nunatak和Kay Island的标本，第二亚网络包含Crater Cirque北种群的所有单倍型。形态学分析显示所有标本（两性）尺寸变异小，两性间无明显差异，测量值在560至610 μm之间。体表和腿角质层弱骨化，棕色，蜡质表层（cerotegument）减少。前背板（prodorsum）具有圆形喙、短叶片（lamellae）、存在毛状刚毛和感器（sensillum），以及典型形状的颚体（tutorium）。后背板（notogaster）卵形，具有一对小的三角形不可动翼突（pteromorphs），十对增厚的后背板刚毛，八孔器（octotaxic porous areas）排列与Coetzee的描述一致而非Wallwork的。腹面光滑，具有短而不完整的腱突（apodemes），所有中等长度的腹面刚毛强烈具刺。生殖板前部圆形，有六对具刺生殖刚毛，一对肛侧刚毛。肛孔强烈圆形，肛板有两对刚毛，周围有短肛侧裂孔和三对肛侧刚毛。所有跗节三爪型，中爪较短且更弯曲但略更粗壮。关于Coetzee报告的跗节I和股节I–II腹刚毛（v′）及股节III侧刚毛（l′）的存在变异，研究确认了这些性状的显著变异性，在多个个体中表现出不对称性，但股节III的侧刚毛（l′）在所有检查标本中一致缺失。

三、主要关键技术方法

研究人员从维多利亚地三个地点（Kay Island、Starr Nunatak、Crater Cirque）采集样本。线粒体基因组测序采用Illumina HiSeq 2500平台，使用NOVOPlasty v.3.8.3进行组装，以 cox1 序列为种子，MEGAHIT辅助组装，BBMap和IGV解决单核苷酸歧义。tRNA基因预测使用MITOS2、tRNAscan-SE和ARWEN，VARNA重建二级结构。系统发育分析基于51个Sarcoptiformes完整线粒体基因组（最终45个序列），使用IQ-TREE v.3，ModelFinder Plus选择最佳进化模型，1000次超快自举和SH-aLRT评估节点支持。种群遗传学分析对66个个体进行 cox1 条形码片段Sanger测序，使用Arlequin v.3.11计算多样性和核苷酸多样性指数，PopART构建最小跨度单倍型网络。形态学分析使用Nikon Eclipse Ci-L plus和Zeiss Axio Zoom V16光学显微镜及FEI Quanta 400扫描电子显微镜。

四、讨论与结论

比较分析表明，Brachypylina线粒体基因排列的重排距离在 M. petronia 和 C. pusillus 之间最低，且 M. petronia、C. imperatoria、E. contaminatus 和 Oribatula sp. 之间普遍较低，表明该群内线粒体基因组结构相对保守，而 O. sakamorii 表现出明显更高的距离，提示更衍生的基因排列构型。大多数差异可通过转座（T）和串联重复–随机丢失（TDRL）事件解释，倒位（I）和倒位转座（iT）较少见。TDRL过程主要影响tRNA基因（特别是 trnL1、trnL2、trnE 和 trnS1），将这些区域确定为线粒体重排的重复热点。整体重排模式表明线粒体基因组进化的渐进模式，以连续的小规模转座和重复为特征。M. petronia 的线粒体基因组表现出显著的基因组压缩，如高频率的基因重叠所指示，包括同向链上基因间的重叠，这种紧凑组织与选择压力支持减少线粒体基因组大小和提高复制效率的解释一致。atp8 和 atp6 之间的7个核苷酸重叠可能反映这些基因的双顺反子转录。nad3 3′端与 trnA 5′端的异常重叠跨越注释 trnA 序列的完整长度，尽管两基因编码在同一条链上，可能涉及非标准转录本加工。基于保守的 nad3 和 trnA 相邻性，tRNA样结构的残余可能作为加工信号而非完全功能基因持续存在。研究结论支持 Maudheimia 作为南极孑遗谱系的解释，其种群在地理上结构化但同种，与南极避难所中长期持续存在一致，形态稳定性进一步支持了这一解释。该研究为南极甲螨的进化历史、线粒体基因组进化和历史生物地理学提供了新的见解。