两种Lepturinae天牛完整线粒体基因组特征及其对该亚科系统发育的启示

《Mitochondrial DNA Part B》：Characterization of two complete mitochondrial genomes of longhorn beetles (Coleoptera: Cerambycidae: Lepturinae) and their phylogenetic implications for the subfamily Lepturinae

　　

Lepturinae是天牛科（Cerambycidae）第三大亚科，但其系统发育关系仍不清楚。为解决该问题，研究人员对Grammoptera (Neoencyclops) paucula和Encyclops hubeiensis的完整线粒体基因组（mitogenomes）进行了测序和注释，长度分别为16,095 bp和16,448 bp。每个线粒体基因组包含37个基因，包括13个蛋白编码基因（PCGs）、22个转移RNA（tRNAs）、2个核糖体RNA（rRNAs）和一个控制区（control region）。基于13个线粒体PCGs及其相应氨基酸序列数据集重建的系统发育树进一步阐明了Lepturinae内部的进化关系，并解析了其族间系统发育关系。

研究背景方面，花天牛亚科（Lepturinae）是天牛科（Cerambycidae）第三大亚科，全世界约1,800种、235属、11族；成虫多为访花传粉者，幼虫多在死木或植物根中发育。形态学和分子证据均支持Lepturinae的单系性（monophyly），但其族间和属间系统发育关系长期存在争议。例如，Necydalini曾被处理为Lepturinae内的族、独立亚科或Lepturinae的姐妹群；Cortodera和Grammoptera的归属亦存在分歧。传统形态特征常不足以解决天牛分类问题，而线粒体基因组（mitogenomes）因体积较小、基因内容和顺序保守、母系遗传及重组率较低，已成为分类、群体遗传和系统发育研究的有力分子标记。然而，Lepturinae线粒体基因组数据有限，GenBank中仅31/235属有完整线粒体基因组。为此，研究人员测序并分析Grammoptera (Neoencyclops) paucula和Encyclops hubeiensis的完整线粒体基因组，后者为Encyclopini首个完整线粒体基因组资源，并据此重建系统发育树，以澄清Lepturinae族至属的关系。该研究扩展了Lepturinae线粒体基因组数据库，为族级分类和进化研究提供了新证据。

关键技术方法方面，标本分别采自湖北长阳（2022年5月）和后河国家级自然保护区（2021年6月），保存于长江大学昆虫博物馆（凭证号GPNO20220505、EHNO20210601）。基因组DNA提取后经Illumina Nova6000平台测序；Geneious v8.1.3组装，MITOS注释tRNAs，MEGA X预测rRNAs和控制区，OGDRAW绘图，PhyloSuite v1.2.2计算核苷酸组成、AT/GC skew和相对同义密码子使用度（RSCU）。系统发育分析提取13个PCGs，经MAFFT v7.313比对、Gblocks v0.91b去除低质量比对区、ModelFinder选择模型；IQ-TREE 2.2.0进行最大似然（ML）分析（1000次超快自举），MrBayes v3.2.7a进行贝叶斯推断（BI）；基于13 PCGs及13 PCGs_AA数据集，以Lamiinae的Morimospasma bimaculatum和Morimospasma sp.为外群。

研究结果如下。3.1 线粒体基因组总体特征：通过测序、组装和注释，获得G. paucula和E. hubeiensis完整线粒体基因组，长度分别为16,095 bp和16,448 bp；均含37个基因，包括13个PCGs、22个tRNAs、2个rRNAs和控制区（A+T-rich region）。除控制区外，最长基因间隔分别为G. paucula的trnI–trnQ（7 bp）和E. hubeiensis的trnS₂–nad1（17 bp）。G. paucula碱基组成为A 39.0%、T 39.5%、G 8.8%、C 12.7%，E. hubeiensis为A 40.4%、T 39.3%、G 8.6%、C 11.7%；A+T%分别为78.5%和79.7%，呈高A+T偏倚，与其他已报道Lepturinae一致；GC skew分别为?0.184和?0.153，AT skew分别为?0.006和0.013。3.2 基因组结构：3.2.1 蛋白编码基因：比较分析显示PCGs起始和终止密码子相似，多数以ATN起始，nad1在两种中均以TTG起始；多数以完整TAR终止，G. paucula的cox1和cox2及E. hubeiensis的cox1、cox2和nad4存在不完全终止密码子T；RSCU分析表明UUA、UCU、CGA和GCU在两种中最常用。3.2.2 转移RNA和核糖体RNA基因：tRNA长度在G. paucula为64–71 bp、E. hubeiensis为62–71 bp；多数tRNAs折叠为常规三叶草二级结构，但E. hubeiensis的trnS₁未形成典型DHU臂而呈简单环，此现象在天牛科线粒体基因组中常见；G. paucula存在U–U和A–A错配，E. hubeiensis存在U–U和A–C错配。两种均含rrnL和rrnS，rrnL位于trnL与trnV间，rrnS位于trnV与控制区间；G. paucula的rrnL和rrnS分别为1,283 bp和798 bp，E. hubeiensis分别为1,282 bp和685 bp；两种rRNA均呈负AT skew和正GC skew。3.2.3 控制区：控制区位于rrnS与trnI间，G. paucula为1,295 bp，E. hubeiensis为1,893 bp，为昆虫线粒体基因组最大非编码区，调控转录和复制。3.3 系统发育分析：基于13 PCGs和13 PCGs_AA数据集分别进行BI和ML分析，拓扑存在差异，但均澄清Encyclopini的位置并恢复族间相同关系。结果支持Rhagiini和Xylosteini为多系（polyphyly），Necydalini为单系，Lepturini为并系（paraphyly）；Encyclopini与Oxymirini形成姐妹群（sister group）。Sachalinobiini、Xylosteini和Rhamnusiini的位置存在细微差异；在13 PCGs数据集的BI和ML树中，Teledapini与Rhamnusiini形成姐妹群；在13 PCGs_AA数据集的BI和ML树中，Xylosteini与Rhamnusiini形成姐妹群。Necydalini的系统位置长期有争议，本研究支持其包含于Lepturinae。Grammoptera (Neoencyclops) paucula与Grammoptera ruficornis为姐妹群，Encyclops hubeiensis与Oxymirus cursor为姐妹群；Grammoptera属于Lepturini，Cortodera属于Rhagiini，与Sykorova的结论一致；Tronquet和Nie et al.亦认为Grammoptera应置于Lepturini，而Dutrillaux and Dutrillaux认为两属均属Rhagiini。上述结果为Lepturinae族级系统发育提供了新的线粒体基因组证据。

讨论与结论部分，研究人员确认两个线粒体基因组具有其他天牛科线粒体基因组中观察到的典型基因排列和核苷酸组成偏倚，强化了该科线粒体架构的保守性；主要贡献在于利用新数据集解决Lepturinae内长期存在的系统发育模糊问题。基于核苷酸和氨基酸数据集的重建为两个争议族的位置提供了有力证据：Necydalini的单系性及其在Lepturinae内的嵌套位置得到强烈支持，印证Gressitt以及Linsley and Chemsak的经典形态学观点，同时反驳将其提升为独立亚科的提议（Niisato；Bousquet et al.）。Encyclops hubeiensis（Encyclopini）与Oxymirus cursor（Oxymirini）始终形成支持良好的姐妹群，提示两族间存在密切进化联系；Encyclopini归属于Lepturinae首次由线粒体基因组数据牢固确立。属级上，Grammoptera被恢复在Lepturini而非Rhagiini，与Sykorova和Tronquet的分子发现一致；但该分支自举支持相对较低，作者指出可能归因于快速辐射事件或线粒体基因单独提供的系统发育信号有限，并使Lepturini呈并系。作者建议未来纳入核基因（如超保守元件或转录组）和更广泛分类单元取样，以解决这些难解节点。总体而言，本研究扩展了Lepturinae线粒体基因组数据库，并为未来进化研究提供了坚实基础。

研究结论部分可译为：本研究对Grammoptera (Neoencyclops) paucula和Encyclops hubeiensis的完整线粒体基因组进行了测序和表征，为Encyclopini提供了首个完整线粒体基因组资源。两个线粒体基因组均表现出其他天牛科线粒体基因组中观察到的典型基因排列和核苷酸组成偏倚，强化了该科线粒体架构的保守性。除确认这些基因组特征外，本研究主要贡献在于利用这些新数据集解决Lepturinae内长期存在的系统发育模糊问题。基于核苷酸和氨基酸数据集的重建为两个有争议族的位置提供了有力证据。首先，Necydalini的单系性及其在Lepturinae内的嵌套位置得到强烈支持，印证了Gressitt以及Linsley and Chemsak的经典形态学观点，同时反驳了将其提升为独立亚科的提议。其次，Encyclops hubeiensis（Encyclopini）与Oxymirus cursor（Oxymirini）始终形成支持良好的姐妹群关系，提示这两个族之间存在密切进化联系，值得进一步分类学关注。值得注意的是，Encyclopini归属于Lepturinae首次由线粒体基因组数据牢固确立。在属级水平，分析为Grammoptera的位置提供了新认识。Grammoptera被恢复在Lepturini而非Rhagiini，与Sykorova和Tronquet的分子发现一致。然而，该分支获得的自举支持相对较低，可能归因于快速辐射事件或仅来自线粒体基因的有限系统发育信号。这种不稳定性导致Lepturini在拓扑结构中呈并系。上述结果强调未来研究需纳入核基因（如超保守元件或转录组）和更广泛分类单元取样，以解决这些难解节点。总体而言，本研究扩展了Lepturinae线粒体基因组数据库，并为未来进化研究提供了坚实基础。