《Biology》：Mitochondrial Genome Comparison and Phylogenetic Analysis of the Family Carabidae (Coleoptera: Adephaga)
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步甲科（Carabidae）是鞘翅目（Coleoptera）中最大的科之一，也是生态系统中重要的捕食性昆虫类群和生物指示类群，在农业害虫控制和生态环境评估中具有重要作用。然而该科内部系统发育关系仍不清楚，公开线粒体基因组数据有限。研究人员采用高通量测序，首次测
步甲科（Carabidae）是鞘翅目（Coleoptera）中最大的科之一，也是生态系统中重要的捕食性昆虫类群和生物指示类群，在农业害虫控制和生态环境评估中具有重要作用。然而该科内部系统发育关系仍不清楚，公开线粒体基因组数据有限。研究人员采用高通量测序，首次测定了四种步甲线粒体全基因组，并重新测序了一种步甲：Pterostichinae 的 Poecilus fortipes 与 Poecilus gebleri，Platyninae 的 Pristosia nitidula 与 Cephalosdrophus marinae，以及 Carabinae 的 Carabus brandti。结合从 NCBI 获取的124条步甲线粒体基因组序列，研究人员重建了步甲科21个亚科的系统发育关系。结果显示，线粒体基因组长度为15,800至17,352 bp，含37个典型基因和一个控制区（control region）。所有蛋白编码基因（protein-coding genes，PCGs）以标准起始密码子 ATN 或 TTG 开始，以 TAN 或不完整终止密码子单个 T 结束。进化速率分析（Ka/Ks）表明 ATP8 进化最快，COX1 进化最慢。除 tRNA-Ser（AGN）的 DHU 臂简化为环、Cephalosdrophus marinae 的 tRNA-Phe 缺失 TΨC 环外，其余 tRNA 可折叠为典型三叶草结构。研究提示 Cicindelinae 的系统发育位置和分类地位尚未解决，不同数据集给出不同放置结果。大多数步甲亚科的单系性得到支持，但 Brachininae、Trechinae、Licininae 和 Platyninae 为非单系。该研究为步甲系统发育提供了新线粒体基因组证据，进一步需要更广分类取样和核基因组数据来厘清该科争议关系。
研究背景方面，步甲科（Carabidae）是鞘翅目（Coleoptera）肉食亚目（Adephaga）中物种极丰富、分布极广的类群，全球已描述约42,000种，分属36个亚科与89个族，多数种类为捕食性，也有杂食和植食类群，是重要的天敌昆虫与生态指示生物。尽管已有大量形态与分子研究，步甲科高阶元系统发育仍存争议，传统形态学依赖雌生殖器、翅结构、肌肉系统、防御腺与分泌物、幼虫形态等特征，未能一致证明步甲科单系，也未在族级关系上形成共识。早期分子研究用18S rDNA 等核核糖体标记揭示部分族级关系，后续多基因与超级矩阵研究虽支持步甲科单系或某些亲缘关系，但仍有研究基于线粒体基因组未稳定恢复步甲科单系。昆虫线粒体基因组为双链闭合环状 DNA，通常14至20 kb，含13个蛋白编码基因（protein-coding genes，PCGs）、22个转运RNA基因（transfer RNA genes，tRNAs）、2个核糖体RNA基因（ribosomal RNA genes，rRNAs）和一个 A+T 富集控制区（control region），具有结构简、拷贝高、母系遗传、基因排列保守等特点，广泛用于物种鉴定与系统发育。但截至2025年11月，GenBank 中步甲完整或部分线粒体基因组仅230条、涉及145种，约占已描述种数0.35%，数据缺口限制了线粒体基因组演化与科内系统发育研究。因此，扩充步甲代表类群线粒体基因组资源十分必要。
研究人员以宁夏贺兰山标本为材料，对五种步甲进行线粒体基因组测序或重测序，其中新测定 Pterostichinae 的 Poecilus fortipes 与 Poecilus gebleri、Platyninae 的 Pristosia nitidula 与 Cephalosdrophus marinae，并重测序 Carabinae 的 Carabus brandti；随后把新数据与 GenBank 中124条步甲线粒体基因组整合，以 Trachypachidae 的 Trachypachus holmbergi 为外群，用最大似然（maximum likelihood，ML）与贝叶斯推断（Bayesian inference，BI）重建21个亚科关系。论文发表于《Biology》。
关键技术方法上，样本为宁夏贺兰山陷阱法采集的五种成体步甲，单标本提取肌肉组织总基因组 DNA 并建库测序；用参考引导组装与注释线粒体基因组，以 MITOS2 与 tRNAscan-SE 注释 tRNA 并预测二级结构，用 PhyloSuite 计算核苷酸组成、相对同义密码子使用（relative synonymous codon usage，RSCU）与偏移度，用 DnaSP 计算 PCGs 的非同义替代率 Ka、同义替代率 Ks 及 Ka/Ks；系统发育前用 MAFFT 比对、Gblocks 与 trimAl 修剪、PhyloSuite 拼接为 PCGsAA、PCGsNT、PCGs123R、PCGs12R 四类数据集，PartitionFinder 选分区与替代模型，IQ-TREE 做 ML、MrBayes 做 BI。
研究结果如下。
3.1 五种步甲线粒体基因组特征：通过组装注释发现，五种线粒体基因组均为典型双链环状结构，长度15,800至17,352 bp，含13个 PCGs、22个 tRNAs、2个 rRNAs 与一个 A+T 富集区；部分基因在 N 链，其余在 J 链。碱基组成 A、T 占优势，全基因组 A+T 含量78.3%至80.0%，AT-skew 为正、GC-skew 为负，表现为偏好 A 与 C。
3.2 PCGs 与密码子使用：通过注释与 RSCU 分析发现，PCGs 总体 AT 偏好明显，除 ND1 以 TTG 起始外均用 ATN 起始，终止多为 TAA/TAG 或不完整 T；高频氨基酸为 Leu2、Ile、Phe，高频密码子多为 A/T 富集群，C/G 丰富密码子使用频率低。Ka/Ks 分析显示所有 PCGs 受净化选择，ATP8 的 Ka/Ks 最高、进化最快，COX1 的 Ka/Ks 最低、序列最保守。
3.3 tRNAs、rRNAs 与控制区：通过 tRNA 二级结构预测发现，22个 tRNAs 多数呈典型三叶草结构，tRNA-Ser（AGN）DHU 臂退化为环，Cephalosdrophus marinae 的 tRNA-Phe 缺 TΨC 环，部分 tRNA 存在 U-G 错配。rRNAs 位于 N 链，12S 与16S rRNA 长度和排布符合昆虫常见模式。控制区长度942至2393 bp，其长度差异是五种线粒体基因组大小差异的主要原因，AT 含量80.4%至89.0%。
3.4 系统发育分析：通过四类数据集的 ML 与 BI 建树发现，Cicindelinae、Elaphrinae、Rhysodinae 与 Harpalinae s. str. 单系性支持强；Cicindelinae 在 PCGsNT/PCGsAA 中嵌于步甲科内，在 PCGs123R/PCGs12R 中位于最基部。Nebriinae 与 Carabinae 多数为基部分支单系。Harpalinae s. l. 含 Lebiinae、Ctenodactylinae、Licininae、Panagaeinae、Platyninae、Harpalinae s. str. 与 Pterostichinae，整体单系；Platyninae 多数为并系，Licininae 多为侧系且 Panagaeinae 嵌于其中。Trechinae 多与 Brachininae 的 Mastax latefasciata、Rhysodinae 成支，Brachininae 多数为多系；Lebiinae 在多数 BI/ML 中单系性较强。部分亚科因仅一条线粒体基因组而无法评估单系。
讨论部分总结：研究人员指出新线粒体基因组具典型步甲与鞘翅目线粒体结构，基因组大小主要受控制区串联重复等影响；ATP8 最快、COX1 最慢是昆虫线粒体普遍模式，COX1 可用于物种鉴定。Cicindelinae 位置在不同线粒体数据中冲突，PCGs123R/PCGs12R 的 Trachypachidae +（Cicindelinae + Carabidae）与前人转录组、基因组和形态研究一致，但其位置仍待核数据解决。Nebriinae 与 Carabinae 多数为基部单系。Harpalinae s. l. 与 Brachininae/Dryptinae 的关系支持前人结果；Trechinae 因取样少而并系，其与 Rhysodinae、Brachininae 的聚合可能受长枝吸引与取样偏差影响；Rhysodinae 有线粒体长枝现象，也有研究提示其线粒基因组存在渐渗杂交。Brachininae 形态具八腹板等共衍征却在线粒树中非单系，说明线粒信号有限。Omophroninae 与 Loricerinae 多成姐妹小支。Pterostichinae 形态缺乏强共衍征、取样仍少；Platyninae 在 Harpalinae s. l. 中不稳定，Sphodrini 与 Platynini 多数单系，本研究首次覆盖 Sphodrini 六个亚族并得 Atranopsina +（（Pristosiina +（Calathina + Dolichina））+（Synuchina + Sphodrina））关系。
结论部分翻译：本研究首次报道 Poecilus fortipes、Poecilus gebleri、Pristosia nitidula 与 Cephalosdrophus marinae 的完整线粒体基因组，并重测序 Carabus brandti。新线粒体基因组的基因组成与长度符合典型昆虫线粒体组织，各基因选择压力与进化速率与此前步甲线粒体基因报道一致；进化速率分析表明 ATP8 与 COX1 分别具有最高与最低 Ka/Ks，说明线粒体基因间选择约束差异显著。基于 NCBI 的124条线粒体基因组，研究人员扩充了步甲科 Poecilus、Pristosia 与 Cephalosdrophus 三属的线粒体取样，用四类数据集重建21个亚科关系；结果表明 Cicindelinae 的系统发育位置与分类地位尚未解决，不同数据集给出不同放置，大多数步甲亚科单系性获支持，Brachininae、Trechinae、Licininae 与 Platyninae 除外。当前许多类群仍取样不足，未来应优先扩充欠代表类群的线粒体基因组取样，并整合更广基因组覆盖、更广分类取样与核基因组标记（如核基因与超保守元件（ultraconserved elements，UCEs）），以建立更稳健的步甲科系统发育框架。
