孫佳寧,董文鴿

(大理大學(xué)病原與媒介研究所,云南大理 671000)

吸虱亞目Anoplura隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門(mén)Arthropoda昆蟲(chóng)綱Insecta虱目Phthiraptera,全世界共15科50屬540種(Durden &Musser, 1994),中國(guó)共11科22屬96種(金大雄, 1999)。吸虱是寄生于真獸類(lèi)哺乳動(dòng)物體表專(zhuān)性寄生蟲(chóng),以宿主血液為食,具有極強(qiáng)的宿主特異性。吸虱不僅對(duì)真獸類(lèi)哺乳動(dòng)物(野生獸類(lèi)和家畜)產(chǎn)生直接危害,還在近緣動(dòng)物宿主之間傳播和儲(chǔ)存人獸共患病病原體,如鼠疫、野兔熱、鼠型斑疹傷寒等,在流行病學(xué)上具有保存和擴(kuò)展疫源地的意義。吸虱中的體虱Pediculushumanus在全球范圍內(nèi)廣泛分布,因體虱可直接傳播戰(zhàn)壕熱(Trench fever)、回歸熱(Pelapsing fever)和流行性斑疹傷寒(Epidemic typhus)等人類(lèi)疾病,在歷史上受到高度關(guān)注(金大雄, 1999; Durden &Timm, 2001; Nafstad &Gronstol, 2001; Toshinorietal., 2002)。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,目前吸虱亞目已有15種吸虱的線粒體基因組完成測(cè)序,其線粒體基因組數(shù)據(jù)均已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/),這15種吸虱的線粒體基因組均發(fā)生不同程度的裂化,其基因組結(jié)構(gòu)和基因排列順序有極強(qiáng)的自身特殊性,明顯區(qū)別于其它節(jié)肢動(dòng)物(劉靜和邊迅, 2021)。通常來(lái)說(shuō),動(dòng)物典型的線粒體基因組結(jié)構(gòu)是雙鏈閉合環(huán)狀的DNA分子,其大小為15～20 kb(Boore, 1999)。吸虱亞目昆蟲(chóng)線粒體基因組不再是典型的雙鏈閉合環(huán)狀DNA分子,而是裂化成數(shù)目不等的線粒體微環(huán)染色體(Minichromosomes或Minicircular mitochondrial chromosomes)。除虱目的吸虱亞目外,細(xì)角亞目(Cameronetal., 2011; Songetal., 2018)和象虱亞目(Shaoetal., 2015)中也發(fā)現(xiàn)線粒體基因組裂化。此外,纓翅目Thysanoptera(Dickeyetal., 2015)、嚙蟲(chóng)目Psocoptera(Weietal., 2012; 陳世春, 2014; Fengetal., 2019)、線蟲(chóng)(Armstrongetal., 2000; Gibsonetal., 2007)、輪蟲(chóng)(Sugaetal., 2008)、中生動(dòng)物(Watanabeetal., 1999)、刺胞動(dòng)物(Voigtetal., 2008; Smithetal., 2011)、原生生物(Noseketal., 1998; Fanetal., 2002; Burgeretal., 2003; Marandeetal., 2005)、植物(Sugiyamaetal., 2005)以及真菌(Burger &Lang, 2003)中也發(fā)現(xiàn)裂化線粒體基因組。

1 吸虱亞目裂化線粒體基因組測(cè)序現(xiàn)狀

吸虱亞目昆蟲(chóng)獲得的首個(gè)線粒體全基因組序列是體虱(Shaoetal., 2009),自此之后陸續(xù)對(duì)更多吸虱亞目昆蟲(chóng)的線粒體基因組進(jìn)行了測(cè)序。截止2021年8月,共獲得7科7屬15種吸虱亞目昆蟲(chóng)的線粒體基因組序列,且均已上傳至GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)。迄今為止已獲得虱科虱屬3種吸虱(體虱、頭虱P.capitis和黑猩猩虱P.schaeffi)(Shaoetal., 2009; 2012; Herdetal., 2015),陰虱科陰虱屬1種吸虱(恥陰虱Pthiruspubis)(Shaoetal., 2012),血虱科血虱屬3種吸虱(野豬血虱Haematopinusapri、豬血虱Ha.suis和驢血虱Ha.asini)(Jiangetal., 2013; Songetal., 2014),多板虱科多板虱屬3種吸虱(亞洲多板虱Polyplaxasiatica、棘多板虱Po.spinulosa和彎多板虱Po.reclinata)(Dongetal., 2014b; 2021),甲脅虱科甲脅虱屬2種吸虱(紅姬甲脅虱Hoplopleuraakanezumi和克氏甲脅虱Ho.kitt)(Dongetal., 2014a),微胸虱科微胸虱屬1種吸虱(羊駝虱Microthoraduspraelongiceps)(Shaoetal., 2017),猴虱科猴虱屬2種吸虱(紅疣猴虱Pedicinusbadii和鈍猴虱Pe.obtusus)(Fuetal., 2020)(表1)。其中4個(gè)為完整的線粒體基因組,11個(gè)為部分線粒體基因組(編碼區(qū)缺少部分基因或未獲得全長(zhǎng)非編碼區(qū))(圖1)。

圖1 近10年測(cè)序的吸虱亞目線粒體基因組數(shù)量Fig.1 Number of mitochondrial genomes Anoplura sequenced in recent 10 years

2 吸虱亞目裂化線粒體基因組基本特征

2.1 基因組結(jié)構(gòu)和組成

吸虱亞目的線粒體基因組不再以典型單個(gè)環(huán)狀染色體呈現(xiàn),而是裂化成數(shù)目不等的線粒體微環(huán)染色體(圖2),每個(gè)微環(huán)染色體由1個(gè)編碼區(qū)和1個(gè)非編碼區(qū)組成。吸虱線粒體基因組同樣由37個(gè)基因(包括13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因、22個(gè)tRNA基因和2個(gè)rRNA基因)組成,這37個(gè)基因不均勻的分布于裂化的線粒體微環(huán)染色體上,每個(gè)微環(huán)染色體上有1～7個(gè)基因。但在部分物種中37個(gè)基因并未找全,如恥陰虱,在Shao等(Shaoetal., 2012)首次對(duì)其線粒體基因組測(cè)序時(shí)未找到其trnK、trnT和nad4基因,后續(xù)Fu等(Fuetal., 2020)再次對(duì)恥陰虱進(jìn)行測(cè)序,找到了trnK和nad4基因,仍未找到trnN基因;克氏甲脅虱未找到trnH、trnF和nad5;紅姬甲脅虱未找到trnF、trnG、trnH、trnL1(tag)、trnM、trnQ、nad1、nad3和nad5這9個(gè)基因(Dongetal., 2014a)。

圖2 大多動(dòng)物典型線粒體基因組(左)和吸虱非典型線粒體基因組(右)(董文鴿, 2014; Dong et al., 2021)Fig.2 Typical mitochondrial genome of most animals (left) and atypical mitochondrial genome of sucking lice(right) (董文鴿, 2014; Song et al., 2021)

吸虱亞目線粒體基因組微環(huán)染色體的數(shù)目在9～20個(gè)不等,豬虱和驢血虱(Jiangetal., 2013; Songetal., 2014)微環(huán)染色體數(shù)目最少,僅有9個(gè),體虱和頭虱(Shaoetal., 2009; 2012)微環(huán)染色體數(shù)目最多,達(dá)20個(gè)。同屬內(nèi)吸虱的微環(huán)染色體數(shù)目基本一致,如多板虱屬的亞洲多板虱、棘多板虱和彎多板虱均為11個(gè)微環(huán)染色體(Dongetal., 2014b; 2021);甲脅虱屬的紅姬甲脅虱和克氏甲脅虱均為11個(gè)微環(huán)染色體(Dongetal., 2014a);血虱屬的豬虱和驢血虱均為9個(gè)微環(huán)染色體(Jiangetal., 2013; Songetal., 2014)。但也存在特殊情況,如虱屬的體虱和頭虱均為20個(gè)微環(huán)染色體,而黑猩猩虱只裂化成了18個(gè)微環(huán)染色體(Shaoetal., 2009; 2012; Herdetal., 2015);猴虱屬的紅疣猴虱和鈍猴虱分別有14個(gè)和12個(gè)微環(huán)染色體(Fuetal., 2020)。由此可見(jiàn),同屬吸虱的線粒體基因組裂化微環(huán)染色體數(shù)目大部分一致,但也會(huì)存在差異,差異程度并不大。書(shū)虱線粒體基因組裂化成2～3個(gè)微環(huán)染色體(Weietal., 2012; 陳世春, 2014; Fengetal., 2019),茶黃硬薊馬ScirtothripsdorsailsSA1線粒體基因組裂化成1個(gè)大環(huán)和1個(gè)只含有2個(gè)基因的小環(huán)(Dickeyetal., 2015)。由此可見(jiàn),吸虱亞目線粒體基因組裂化環(huán)數(shù)明顯多于書(shū)虱和薊馬。這是否與吸虱吸食宿主血液的生活習(xí)性有關(guān)?需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 RNA基因

吸虱亞目的tRNA基因大多為典型的三葉草結(jié)構(gòu),與大多數(shù)昆蟲(chóng)一樣(Cameron, 2014),吸虱亞目的部分吸虱(如體虱、頭虱、陰虱、黑猩猩虱、豬虱、猴虱、甲脅虱、亞洲多板虱和棘多板虱)的trnS1(tct)基因缺少D臂(Shaoetal., 2009; 2012; Jiangetal., 2013; Dongetal., 2014a; 2014b; Herdetal., 2015; Fuetal., 2020),但彎多板虱、驢血虱和羊駝虱的trnS1(tct)基因擁有完整的三葉草結(jié)構(gòu)(Songetal., 2014; Shaoetal., 2017; Dongetal., 2021)。此外,羊駝虱的trnA和trnR基因(Shaoetal., 2017),黑猩猩虱的trnQ基因缺少DHU臂(Herdetal., 2015),紅疣猴虱trnA基因缺少TΨC臂(Fuetal., 2020)。tRNA基因的氨基酸接受臂和反密碼子臂的長(zhǎng)度分別為7 bp 和5 bp,非常保守極少發(fā)生變異。而DHU臂和TΨC臂變異程度相對(duì)較大,分別為3～4 bp和2～8 bp。DHU環(huán)和TΨC環(huán)變異最大分別為3～16 bp和3～19 bp,反密碼子環(huán)較為保守,除恥陰虱(Shaoetal., 2012)的trnA基因?yàn)? bp外,其余均為7 bp。

吸虱昆蟲(chóng)的tRNA基因大多遵循堿基配對(duì)原則,但也存在基因錯(cuò)配現(xiàn)象,在15種吸虱tRNA基因中存在G-U、U-U、A-G、A-C、C-U、A-A、C-C、G-G錯(cuò)配,其中以G-U錯(cuò)配為主,約占全部基因錯(cuò)配數(shù)量的72.3%,每種吸虱的tRNA基因均存在G-U錯(cuò)配。G-G錯(cuò)配最少,占全部基因錯(cuò)配數(shù)量的0.6%,僅在豬虱的trnE基因以及棘多板虱的trnH和trnR基因中出現(xiàn)(Jiangetal., 2013)。氨基酸接受臂、DHU臂、TΨC臂和反密碼子臂均存在基因錯(cuò)配,其中氨基酸接受臂上的基因錯(cuò)配最多約占39.1%,TΨC臂最少約占15.8%,這一現(xiàn)象與線粒體基因組未發(fā)生裂化的鱗翅目昆蟲(chóng)相同(王維等, 2013)。每個(gè)吸虱的tRNA基因存在堿基錯(cuò)配數(shù)目也不同,鈍猴虱全部22個(gè)tRNA基因存在錯(cuò)配數(shù)目各為33個(gè),而野豬血虱的全部tRNA基因存在錯(cuò)配數(shù)目,高達(dá)63個(gè),是吸虱亞目中錯(cuò)配數(shù)目最多的吸虱(Jiangetal., 2013; Fuetal., 2020)。嗜蟲(chóng)目的嗜卷書(shū)虱Liposcelisbostrychophila21個(gè)tRNA基因存在55處錯(cuò)配,小眼書(shū)虱14個(gè)tRNA基因存在42處錯(cuò)配。細(xì)角亞目的4種住牛虱tRNA基因錯(cuò)配數(shù)目34～44個(gè)。較其他線粒體基因組未發(fā)生裂化的昆蟲(chóng),線粒體基因組發(fā)生裂化的昆蟲(chóng)堿基錯(cuò)配數(shù)偏高(Weietal., 2012; 陳世春, 2014; Songetal., 2018; 單良陳玉, 2021)。即使同屬內(nèi)的吸虱,基因錯(cuò)配的數(shù)目差異也會(huì)較大,如血虱屬的野豬虱(63個(gè)基因錯(cuò)配)和驢血虱(47個(gè)基因錯(cuò)配),相差 16個(gè)。若從吸虱宿主的角度分析,豬虱的宿主家豬和野豬均屬于偶蹄目動(dòng)物,而驢血虱的宿主馬屬于奇蹄目動(dòng)物。宿主同為豬的豬血虱和野豬血虱tRNA基因錯(cuò)配數(shù)目?jī)H差3個(gè)。即使存在不同數(shù)目的基因錯(cuò)配,但基因錯(cuò)配可以通過(guò)編輯矯正,并不會(huì)影響tRNA基因的轉(zhuǎn)運(yùn)功能(Varani &Mcclain, 2000)。

吸虱亞目的trnL1(tag)和trnL2(taa)基因存在較長(zhǎng)的等同序列。其中恥陰虱、體虱、頭虱、黑猩猩虱和鈍猴虱的trnL1(tag)和trnL2(taa)基因,除的第3位反密碼子外,其余堿基均相同(Shaoetal., 2012; Herdetal., 2015; Fuetal., 2020)。此外部分吸虱的存在2～3段較長(zhǎng)的等同序列,如羊駝虱、棘多板虱和疣猴虱存在兩段較長(zhǎng)的等同序列,豬虱存在3段較長(zhǎng)的等同序列(Shaoetal., 2017; Fuetal., 2020; Dongetal., 2021)。亞洲多板虱、彎多板虱和驢血虱均存在一段較長(zhǎng)的等同序列分別為28、25和15 bp(Songetal., 2014; Dongetal., 2014b; 2021)。然而甲脅虱屬的吸虱并沒(méi)有較長(zhǎng)的等同序列,紅姬甲脅虱未能找到trnL1(tag)基因,無(wú)法進(jìn)行比較?？耸霞酌{虱trnL1(tag)和trnL2(taa)基因等同序列長(zhǎng)度僅為7 bp(Dongetal., 2014a),缺少較長(zhǎng)等同序列這一特點(diǎn)與芒角亞目的亞庫(kù)巴果蠅Drosophilayakuba(Clary &Wolstenholme, 1985),絲角亞目的尖叫虱Bothriometopusmacrocnemis(Cameronetal., 2007)和鴿虱Campanulotesbidentatuscompar(Covacinetal., 2006)以及鈍角亞目袋鼠虱Heterodoxusmacropus(Shaoetal., 2001)這些線粒體基因組未發(fā)生裂化的昆蟲(chóng)相似(表1)。

吸虱亞目昆蟲(chóng)的rRNA基因包括rrnS和rrnL基因,rRNA基因的長(zhǎng)度都十分保守且有AT偏向性,rrnS基因平均長(zhǎng)度為723 bp,rrnL基因平均長(zhǎng)度為1 119 bp。所有吸虱的rRNA基因均呈AT偏向,亞洲多板虱rrnS和rrnL基因的AT含量在所有吸虱中最低,分別為55.3%和60.4%(Dongetal., 2014b);黑猩猩虱最高,分別為73.2%和72.3%(Herdetal., 2015)。其它未發(fā)生裂化的昆蟲(chóng)rRNA基因AT含量通常高于吸虱(Lietal., 2018; Fuetal., 2021)。虱屬、血虱屬和多板虱屬均有3個(gè)種可在NCBI獲得線粒體基因組序列,比較它們的rrnS和rrnL基因相似度發(fā)現(xiàn),虱屬相似度最高,分別為84.2%和86.3%;其次為血虱屬,相似度分別為78.2%和77.1%;多板虱屬相似度最低,分別為61.3%和68.9%。

2.3 非編碼區(qū)

吸虱裂化線粒體基因組,每個(gè)微環(huán)染色體均有1個(gè)非編碼區(qū),如體虱(Shaoetal., 2009)的線粒體基因組裂化成20個(gè)微環(huán)染色體,意味著體虱的線粒體基因組同時(shí)存在20個(gè)非編碼區(qū)。但驢血虱的R-nad4L-rrnS-C微環(huán)染色體除了1個(gè)較長(zhǎng)的非編碼區(qū)(1 951 bp),同時(shí)還存在1個(gè)440 bp的非編碼區(qū)(Songetal., 2014)。這種情況也在彎多板虱nad1-G-nad3-W、紅姬甲脅虱R-nad4L-P-cox3-A-T和克氏甲脅虱D-Y-cox2-T微環(huán)染色體中出現(xiàn),除1個(gè)較長(zhǎng)的非編碼區(qū)外還分別有83、49和28 bp的非編碼區(qū)(Dongetal., 2014a; 2021)。15種吸虱中僅4種吸虱獲得了與其微環(huán)染色體數(shù)目對(duì)應(yīng)數(shù)量的全長(zhǎng)非編碼區(qū)(Songetal., 2014; Shaoetal., 2017; Fuetal., 2020; Dongetal., 2021),部分吸虱僅獲得了線粒體基因組中某些微環(huán)染色體的全長(zhǎng)非編碼區(qū)。如頭虱的cox1和K-nad4微環(huán)染色體;黑猩猩虱cox1微環(huán)染色體;野豬虱的Q-nad1-T-G-nad3-W和rrnS-C微環(huán)染色體;亞洲多板虱的cox1-L2(taa)和M-L1(tag)-rrnL-V微環(huán)染色體;棘多板虱的M-L2(taa)-rrnL-V和S1(tct)-S2(tga)-rrnS-C微環(huán)染色體;紅姬甲脅虱的rrnS和Y2(ata)-rrnL-V微環(huán)染色體;克氏甲脅虱的rrnS,M-L1(tag)-rrnL-V和I-cox1微環(huán)染色體(Shaoetal., 2012; Jiangetal., 2013; Dongetal., 2014a; 2014b)。恥陰虱全部10個(gè)微環(huán)染色體均獲得了全長(zhǎng)非編碼區(qū),家豬虱線粒體基因組9個(gè)微環(huán)染色體中的8個(gè)微環(huán)染色體均獲得全長(zhǎng)非編碼區(qū),而人體虱和紅疣猴虱每個(gè)微環(huán)染色體僅獲得了部分非編碼區(qū),未能獲得全長(zhǎng)非編碼區(qū)(Shaoetal., 2009; 2012; Jiangetal., 2013; Herdetal., 2015; Fuetal., 2020)。

在同一物種不同微環(huán)染色體上的全長(zhǎng)非編碼區(qū)均有較高的相似性,首個(gè)獲取全部微環(huán)染色體全長(zhǎng)非編碼區(qū)的驢血虱(Songetal., 2014),9個(gè)非編碼區(qū)之間的相似性達(dá)96%。亞洲多板虱的2個(gè)全長(zhǎng)非編碼區(qū)之間的相似性達(dá)96%,棘多板虱的2個(gè)全長(zhǎng)非編碼區(qū)之間的相似性也高達(dá)98%(Dongetal., 2014b)。紅姬甲脅虱的2個(gè)全長(zhǎng)非編碼區(qū)之間的相似性最低,僅78.7%,克氏甲脅虱的3個(gè)全長(zhǎng)非編碼區(qū)之間相似性在87%～93%之間(Dongetal., 2014a)。書(shū)虱線粒體基因組由2～3個(gè)微環(huán)染色體組成,與吸虱不同,書(shū)虱的每個(gè)環(huán)中含有較多的非編碼區(qū),如嗜蟲(chóng)書(shū)虱Liposcelisentomophila的2個(gè)環(huán)中共有38處非編碼區(qū),其中3個(gè)非編碼區(qū)存在相似序列,故將其認(rèn)為控制區(qū)(陳世春, 2014)。象虱Haematomyzuselephantis獲得全長(zhǎng)的4個(gè)微環(huán)染色體的非編碼區(qū)之間也有高度相似(>97%)(Shaoetal., 2015)。

表1 寄生虱和果蠅trnL1(tag)和trnL2(taa)基因等同序列的長(zhǎng)度

續(xù)表1 Continued table 1

在吸虱的每個(gè)微環(huán)染色體的編碼區(qū)上游和下游的兩端,均會(huì)存在一段較為保守的序列。在編碼區(qū)5′端上游的非編碼區(qū)存在一段長(zhǎng)度45～203 bp的 AT富集區(qū)(AT-rich motif),AT含量為59%～100%。編碼區(qū)3′端下游的非編碼區(qū)存在一段長(zhǎng)度33～90 bp的GC富集區(qū)(GC-rich motif),GC含量為56.7%～82%。由于這兩個(gè)保守序列在非編碼區(qū)的兩端,非編碼區(qū)又稱(chēng)為控制區(qū),負(fù)責(zé)線粒體基因組的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程(Taanman, 1999)。Shao等人認(rèn)為,微環(huán)染色體的轉(zhuǎn)錄可能開(kāi)始于AT富集區(qū),終止于GC富集區(qū)(Shaoetal., 2017)。

吸虱全長(zhǎng)非編碼區(qū)在955～3 265 bp不等,其中驢血虱的每個(gè)微環(huán)上的非編碼區(qū)長(zhǎng)度均在2 kb以上,相較于其它吸虱,是非編碼區(qū)最長(zhǎng)的物種。即使在同一物種內(nèi),不同微環(huán)染色體上的非編碼區(qū)長(zhǎng)度也有差異,如羊駝虱最長(zhǎng)非編碼區(qū)和最短非編碼區(qū)相差了450 bp,而陰虱最長(zhǎng)非編碼區(qū)和最短非編碼區(qū)之間相差 627 bp(Shaoetal., 2012)。與大多數(shù)昆蟲(chóng)一樣,這些非編碼區(qū)長(zhǎng)度差異大且存在重復(fù)次數(shù)不同的串聯(lián)重復(fù)序列,或不存在串聯(lián)重復(fù)序列;或是在不同微環(huán)染色體的非編碼區(qū)中插入或刪除不同數(shù)目的堿基序列。非編碼區(qū)的進(jìn)化速率明顯快于編碼區(qū),具有許多不保守的特征,如串聯(lián)重復(fù)序列、潛在的發(fā)夾結(jié)構(gòu)等(Jiangetal., 2013; Dongetal., 2014b; Songetal., 2014; 李?lèi)?ài)玲等, 2014; Shaoetal., 2017)。

3 祖先線粒體核型推測(cè)

3.1 概念

人們通常將亞庫(kù)巴果蠅的線粒體基因組的排列方式作為昆蟲(chóng)的線粒體基因組最原始的排列方式(魏書(shū)軍和陳學(xué)新, 2011),而吸虱和象虱的線粒體基因組均發(fā)生裂化,明顯區(qū)別于大多數(shù)昆蟲(chóng)的線粒體基因組。為了更加方便、準(zhǔn)確地描述它們的線粒體基因組,Shao等首次提出“線粒體核型(Mitochondrial karyotype)”這一概念,來(lái)描述像吸虱以及象虱由多個(gè)微環(huán)染色體組成的線粒體基因組(Shaoetal., 2015)。吸虱亞目線粒體核型指:1)微環(huán)染色體的數(shù)量;2)微環(huán)染色體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是線型還是環(huán)型;3)每個(gè)微環(huán)染色體的基因含量和基因排列。

3.2 推測(cè)方法

吸虱亞目的昆蟲(chóng)線粒體基因組均已裂化成不同數(shù)目的微環(huán)染色體,其特殊的線粒體基因組結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沒(méi)有合適的進(jìn)化模型用于分析并重建吸虱祖先線粒體核型。Shao等根據(jù)6科6屬12種吸虱和象虱構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)與Light等根據(jù)cox1、EF-1α和18S基因,對(duì)8科17屬49種吸虱分別構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)以及Kim根據(jù)39種形態(tài)特征對(duì) 15科吸虱構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的結(jié)果一致(Kim, 1988; Lightetal., 2010; Shaoetal., 2017)。吸虱亞目的吸虱在大約750萬(wàn)年前分化成兩個(gè)主要的進(jìn)化支:一大進(jìn)化支為棘虱科Echinophthiridae,鄂虱科Linognathidae,甲脅虱科的甲脅虱屬和Pterophthirus屬,多板虱科的擬鄂虱屬Linognathides、新血虱屬Neohaematopinus和樹(shù)鼩虱屬Sathrax;另一大進(jìn)化支為血虱科,多板虱科的多板虱屬和Lemurpediculus屬,甲脅虱科的鉤板虱屬Ancistroplax,虱科,陰虱科和猴虱科。Shao等構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的基礎(chǔ)上,利用簡(jiǎn)約法(Parsimony method)(Gordonetal., 2009; Shaoetal., 2017)初步推測(cè)吸虱祖先線粒體核型。后續(xù)Fu等(2020)和Dong等(2021)利用同樣的方法分別對(duì)寄生于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體表的吸虱(虱屬,陰虱屬,猴虱屬)和多板虱屬吸虱的祖先線粒體核型進(jìn)行了推測(cè)。

若某一基因特征為吸虱祖先線粒體核型需滿(mǎn)足:1)其存在于吸虱兩大進(jìn)化支中的至少1個(gè)進(jìn)化支,且存在于外群象虱中;或2)其同時(shí)存在于吸虱的兩大進(jìn)化支中。若某一基因特征為寄生于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體表的吸虱祖先線粒體核型需滿(mǎn)足:1)其同時(shí)存在于虱屬、陰虱屬和猴虱屬;或2)虱屬物種以及虱屬物種或陰虱屬物種共有;或3)3個(gè)屬中的1個(gè)或多個(gè)物種以及其他寄生虱。若某一基因特征為多板虱屬吸虱的祖先線粒體核型:1)其存在于至少1種多板虱屬吸虱中且存在于1種或多種非多板虱屬吸虱中;或2)同時(shí)存在于全部的3種多板虱(亞洲多板虱、棘多板虱和彎多板虱)中。

3.3 推測(cè)結(jié)果

最終Shao等(2017)推測(cè)吸虱祖先線粒體核型:1)由11個(gè)不同的微環(huán)染色體組成;2)每個(gè)微環(huán)染色體由1個(gè)編碼區(qū)和1個(gè)非編碼區(qū)構(gòu)成,且編碼區(qū)包含1～6個(gè)基因(圖3-A)。Fu等(2020)根據(jù)體虱、頭虱、陰虱、黑猩猩虱、鈍猴虱、紅疣猴虱的線粒體基因組對(duì)寄生在靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體表寄生虱的祖先線粒體核型進(jìn)行了初步推測(cè),但這6種吸虱的線粒體基因組數(shù)據(jù)量用于推測(cè)祖先線粒體核型并不充足,且tRNA基因的移動(dòng)性較強(qiáng),因此僅推測(cè)出蛋白質(zhì)編碼基因和rRNA基因在祖先核型中的排列方式:1)由12個(gè)不同的微環(huán)染色體組成;2)每個(gè)微環(huán)染色體由1個(gè)編碼區(qū)和1個(gè)非編碼區(qū)構(gòu)成;3)每個(gè)微環(huán)染色體包含1～2個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因或rRNA基因(圖3-B)。Dong等(2021)根據(jù)多板虱屬的亞洲多板虱、棘多板虱和彎多板虱,并結(jié)合其余12種吸虱和象虱對(duì)多板虱屬吸虱的祖先線粒體核型進(jìn)行推測(cè):1)由11個(gè)微環(huán)染色體組成;2)每個(gè)微環(huán)染色體由1個(gè)編碼區(qū)和1個(gè)非編碼區(qū)構(gòu)成,且編碼區(qū)包含2～7個(gè)基因;3)其中7個(gè)微環(huán)染色體僅有1個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因或rRNA基因;4)trnS1(tct)-trnS2(tga)可能在rrnS基因的上游或nad1基因的上游,位置尚不能確定(圖3-C)。

圖3 吸虱亞目祖先線粒體核型推測(cè)Fig.3 Inferred ancestral mitochondrial karyotype of Anoplura

在不考慮tRNA基因的情況下,對(duì)比3個(gè)祖先線粒體核型發(fā)現(xiàn),每個(gè)微環(huán)染色體均由1個(gè)編碼區(qū)和1個(gè)非編碼區(qū)構(gòu)成。蛋白質(zhì)編碼基因和rRNA基因的位置基本一致,分布于10個(gè)微環(huán)線粒體上。其中7個(gè)微環(huán)線粒體染色體有1個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因或rRNA基因,剩余3個(gè)微環(huán)染色體均有2個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因:atp8-atp6,nad4L-cox3,nad1-nad3。但cox2和nad6基因在3個(gè)祖先線粒體核型中存在差異,吸虱祖先線粒體核型和多板虱屬祖先線粒體核型一致,cox2和nad6基因在同一微環(huán)染色體中,而在寄生在靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體表的吸虱祖先線粒體核型中,這兩個(gè)基因各自獨(dú)立存在于不同的微環(huán)染色體中。

由于獲得吸虱的線粒體基因組數(shù)量較少,對(duì)于祖先線粒體核型的推測(cè)結(jié)果尚不夠精確,寄生于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體表吸虱的祖先線粒體核型由于數(shù)據(jù)量不足且tRNA基因的較強(qiáng)活動(dòng)性,只能初步推測(cè)出蛋白質(zhì)編碼基因和rRNA基因的位置。

4 展望

隨著測(cè)序技術(shù)不斷地更新?lián)Q代,獲得的吸虱亞目線粒體基因組的數(shù)量逐漸增多。目前已經(jīng)對(duì)7科 7屬15種吸虱的線粒體基因組進(jìn)行了測(cè)序分析,但相對(duì)于全世界吸虱亞目15科50屬540種(Durden &Musser, 1994)來(lái)說(shuō),僅對(duì)全部吸虱亞目物種的3%完成了線粒體基因組的測(cè)序。雖然目前對(duì)15科中的7科進(jìn)行了測(cè)序,但從屬這一分類(lèi)階元來(lái)看,較為單一,每科僅有1個(gè)屬,且每個(gè)屬僅有1～3種。這7科中的多板虱科物種最為豐富,有189種,但僅4種多板虱獲得了線粒體全基因組;甲脅虱科共有157種,目前僅對(duì)2種甲脅虱的線粒體基因組進(jìn)行了測(cè)序,而且這2種甲脅虱的37個(gè)基因均未能找全,紅姬甲脅虱未能找到9個(gè)基因(nad1、nad3、nad5、trnF、trnG、trnH、trnL1(tag)、trnM和trnQ),克氏甲脅虱未能找到3個(gè)基因(nad5、trnF和trnH)(Dongetal., 2014a)?；蛭茨苷胰@一現(xiàn)象同樣在恥陰虱中出現(xiàn),Shao等2012年對(duì)恥陰虱線粒體基因組首次進(jìn)行測(cè)序,未能找到nad4,trnK和trnN3個(gè)基因。Shao推測(cè),未能找到的原因可能有兩個(gè):一是這3個(gè)基因所在的微環(huán)染色體要比恥陰虱其它微環(huán)染色體的豐度低;二是用于擴(kuò)增恥陰虱線粒體基因組的引物不夠保守。Shao更傾向于第2個(gè)原因,引物不保守這一原因也是兩種甲脅虱未能找全基因推測(cè)的原因(Shaoetal., 2012)。今后可嘗試設(shè)計(jì)更為保守的引物,增加試驗(yàn)蟲(chóng)體的數(shù)量以找到未能發(fā)現(xiàn)的基因。

每種吸虱的線粒體基因組均發(fā)生不同程度的裂化,基因不均勻的分布在每個(gè)微環(huán)染色體上,幾乎每個(gè)微環(huán)染色體上至少有1個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因或者rRNA基因,tRNA基因隨機(jī)分布在每個(gè)微環(huán)染色體上。也有微環(huán)染色體僅包含1個(gè)基因,蛋白質(zhì)編碼基因、rRNA基因或tRNA基因。吸虱亞目的昆蟲(chóng)tRNA基因大部分為典型的三葉草結(jié)構(gòu),與大多數(shù)昆蟲(chóng)一樣,trnS1(tct)基因常缺少D臂。tRNA基因存在基因錯(cuò)配現(xiàn)象主要為G-U錯(cuò)配,相比于其他線粒體基因組未發(fā)生裂化的昆蟲(chóng),每個(gè)吸虱物種的tRNA基因錯(cuò)配數(shù)量要更多。吸虱的trnL1(tag)和trnL2(taa)基因存在較長(zhǎng)的等同序列,這是明顯區(qū)別于其他單個(gè)環(huán)狀線粒體基因組的昆蟲(chóng)的特點(diǎn),但甲脅虱屬的物種缺失較長(zhǎng)的等同序列(Dongetal., 2014a),甲脅虱這一特點(diǎn)是否為甲脅虱屬固有特征,缺少等同序列是否意味著甲脅虱屬吸虱為吸虱亞目進(jìn)化較慢的物種?需對(duì)更多甲脅虱屬物種進(jìn)行測(cè)序,以進(jìn)一步驗(yàn)證。此外,每個(gè)微環(huán)染色體上均有一段非編碼區(qū),目前雖獲得了16種吸虱的線粒體基因組,但僅4種吸虱擴(kuò)增出全部全長(zhǎng)非編碼區(qū),大多吸虱只能獲得編碼區(qū)兩端部分非編碼區(qū),或1～3個(gè)微環(huán)染色體的全長(zhǎng)非編碼區(qū)。由于非編碼區(qū)的AT含量較高,設(shè)計(jì)的引物可能有較大局限性,導(dǎo)致非編碼區(qū)擴(kuò)增較困難(李志勇等, 2009; 阿爾祖古麗·買(mǎi)買(mǎi)提吐?tīng)栠d等, 2021)。

吸虱特殊的裂化線粒體基因組結(jié)構(gòu),吸虱不能再以亞庫(kù)巴果蠅的基因排列作為假設(shè)祖先基因排列方式,2017年Shao等首次基于吸虱和象虱的8個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因(atp6、atp8、cox1、cox2、cox3、cob、nad4L和nad6)和2個(gè)rRNA基因(rrnS和rrnL)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),通過(guò)簡(jiǎn)約法初步推測(cè)了吸虱祖先線粒體核型(Shaoetal., 2017)。后續(xù)Fu等和Dong等陸續(xù)對(duì)寄生于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的吸虱和多板虱屬吸虱的祖先線粒體核型進(jìn)行了推測(cè)(Fuetal., 2020; Dongetal., 2021)。由于獲得線粒體基因組的物種過(guò)少,且tRNA基因移動(dòng)性較強(qiáng),寄生于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的吸虱僅能推測(cè)出蛋白質(zhì)編碼基因和rRNA基因在祖先線粒體核型中的位置。同樣,多板虱屬的trnT基因的具體位置也尚不能準(zhǔn)確確定。若想進(jìn)一步驗(yàn)證推測(cè)祖先核型的準(zhǔn)確性,或推測(cè)出tRNA基因的具體位置,需要對(duì)更多的吸虱線粒體基因組進(jìn)行測(cè)序,以完善數(shù)據(jù)。

本文綜述了當(dāng)前已測(cè)序的15種吸虱線粒體基因組的結(jié)構(gòu)和組成、RNA基因、非編碼區(qū)以及對(duì)吸虱祖先線粒體核型推測(cè)的方法和結(jié)果。這15種吸虱均有裂化線粒體基因組,其微環(huán)染色體的數(shù)量、以及每個(gè)微環(huán)染色體的基因結(jié)構(gòu)和基因順序彼此不同,甚至在同屬中親緣關(guān)系較近的物種間也存在差異,這與大多數(shù)動(dòng)物極其保守的單染色體線粒體基因組形成鮮明對(duì)比。這很好地彌補(bǔ)了動(dòng)物線粒體基因組傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不足和局限,對(duì)理解線粒體的起源和進(jìn)化以及物種形成和進(jìn)化都具有重要意義。