閆久陽 靳瑞欣 周云威 張秀英

摘要 鱗翅目刺蛾科綠刺蛾屬和黃刺蛾屬幼蟲俗稱“洋辣子”，它們常危害果樹、綠化樹木、農(nóng)作物等，在我國已被報(bào)道有危害現(xiàn)象的共有9種。線粒體基因組的測序?yàn)楹οx防治工作奠定了基礎(chǔ)。綜述褐邊綠刺蛾和黃刺蛾的線粒體基因組的提取和分析的方法，并對兩者的線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征、蛋白質(zhì)編碼基因、tRNA基因、rRNA基因、非編碼區(qū)（控制區(qū)和基因間隔區(qū)）、基因重疊區(qū)以及基因重排現(xiàn)象進(jìn)行了概述，同時(shí)總結(jié)了這2個(gè)屬的線粒體基因組的測序進(jìn)展，并對未來的測序工作提出了一些展望。

關(guān)鍵詞 綠刺蛾屬；黃刺蛾屬；線粒體基因組

中圖分類號(hào)：Q812 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）07–0001-04

綠刺蛾屬Parasa和黃刺蛾屬Cnido-campa，兩者均隸屬于動(dòng)物界Animalia、節(jié)肢動(dòng)物門Arthropoda、昆蟲綱Insecta、鱗翅目Lepidoptera、刺蛾科Limacodidae，其中，綠刺蛾屬世界已知253種[1-2]，我國已記載46種[3]；黃刺蛾屬世界已知7種，我國已記載4種[4]。

綠刺蛾屬和黃刺蛾屬昆蟲對大量果樹和綠化植被造成嚴(yán)重危害，其中我國已報(bào)道中國綠刺蛾P(guān)arasa sinica（Moore）、麗綠刺蛾P(guān)arasa lepida （Cramer）、褐邊綠刺蛾P(guān)arasa consocia （Walker）、雙齒綠刺蛾P(guān)arasa hilarata （Staudinger）、兩色綠刺蛾P(guān)arasa bicolor （Walker）、跡斑綠刺蛾P(guān)arasa pastoralis （Butler）、水稻綠刺蛾P(guān)arasa oryzae Cai、漫綠刺蛾P(guān)arasa ostia （Swinhoe）、黃刺蛾Cnidocampa flavescens （Walker）[5–13]對果樹、綠化樹木、農(nóng)作物等的危害較為嚴(yán)重；二者的低齡幼蟲常聚集分布在葉片的背面，取食葉肉保留葉脈，隨著幼蟲的成長漸漸開始分散取食，可將葉片全部吃光或只保留葉柄，嚴(yán)重影響樹木生長，造成減產(chǎn)。

線粒體是大多數(shù)真核生物的能量生產(chǎn)車間，是有氧呼吸的主要場所，具有雙層膜結(jié)構(gòu)，是半自主細(xì)胞器。近年來，隨著基因測序的不斷發(fā)展和完善，少數(shù)的綠刺蛾屬和黃刺蛾屬的線粒體全基因組被測定。據(jù)Genbank數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，綠刺蛾屬有一種（褐邊綠刺蛾P(guān)arasa consocia （Walker））線粒體基因組被提交（Sun 2019報(bào)道Parasa tessellata的線粒體基因組），但在Genbank顯示未被證實(shí)[14]其線粒體基因組的完整序列，因此此處不對其進(jìn)行綜述。黃刺蛾屬有一種（黃刺蛾Monema flavescens Walker）線粒體基因組被提交。

本篇綜述了2種刺蛾（褐邊綠刺蛾的登錄號(hào)為KX108765，黃刺蛾的登錄號(hào)為NC_032683）線粒體基因組的提取和分析方法、基因結(jié)構(gòu)特征、蛋白質(zhì)編碼基因、tRNA基因、rRNA基因、非編碼區(qū)（控制區(qū)和基因間隔區(qū)）、基因重疊區(qū)以及基因重排現(xiàn)象，分析綠刺蛾屬和黃刺蛾屬線粒體基因組獨(dú)特的線粒體基因特征，為進(jìn)一步了解綠刺蛾屬和黃刺蛾屬的分子進(jìn)化、系統(tǒng)發(fā)育研究提供更多的證據(jù)，從而為2種刺蛾屬害蟲的防治工作奠定基礎(chǔ)。

1 測序方法

PCR擴(kuò)增和測序：根據(jù)其他的鱗翅目昆蟲線粒體基因組序列設(shè)計(jì)的引物集[15-16]（表1）擴(kuò)增整個(gè)線粒體基因組。PCR的基本條件：94 ℃下3 min，94 ℃下30 s進(jìn)行35個(gè)循環(huán)，52～60 ℃下1～3 min，72 ℃下10 min。擴(kuò)增過程在Mastercycler梯度下進(jìn)行，反應(yīng)體積為50μL。PCR擴(kuò)增后由瓊脂糖凝膠電泳（1%，w/v）分離，并用DNA凝膠提取試劑盒進(jìn)行純化，純化后的PCR產(chǎn)物連接到T載體，測序至少3次。

序列拼接、注釋與分析：序列注釋使用NCBI BLAST和DNAStar packag（DNAStar Inc. Madison， WI， USA）軟件進(jìn)行。使用tRNAscan-SE程序?qū)RNA基因進(jìn)行識(shí)別、驗(yàn)證[19]。使用Clustal X對各種鱗翅目線粒體基因組的PCGs進(jìn)行比對[20]。偏度計(jì)算公式如下：AT skew = （A-T）/（A+T）；GC skew = （G-C）/（G+C），密碼子使用MEGA 6.03軟件進(jìn)行計(jì)算。使用Tandem Repeats Finder程序預(yù)測A+T富集區(qū)的串聯(lián)重復(fù)序列（Tandem repeats）[21]。

2 褐邊綠刺蛾和黃刺蛾線粒體基因組的比較

2.1 線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大多數(shù)真核生物細(xì)胞線粒體基因組大小一般為15～20 kb[22]，而鱗翅目線粒體基因組大小一般在15～16 kb之間，由37個(gè)基因組成的共價(jià)閉合環(huán)狀雙鏈DNA分子，結(jié)構(gòu)較為簡單，包括13個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因（PCGs）、22個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因（tRNA）以及2個(gè)核糖體RNA基因（rRNA） （12S rRNA和16S rRNA）。除此之外，還含有一段非編碼區(qū)（CR）[23]。

目前，已測定的褐邊綠刺蛾和黃刺蛾的線粒體基因組大小分別為15 296 bp和15 396 bp，兩者的基因組成均符合鱗翅目基因結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。同時(shí)，在37個(gè)線粒體基因中，均為23個(gè)基因由J鏈（The majority strand）編碼，14個(gè)基因由N鏈（The opposite strand）編碼[24]。

2.2 PCGs基因

PCGs是控制蛋白質(zhì)合成的基因，鱗翅目昆蟲的PCGs通常編碼4類蛋白質(zhì)亞基：1個(gè)細(xì)胞色素b（Cyt b）基因、3個(gè)細(xì)胞色素氧化酶亞基基因（COⅠ、COⅡ和COⅢ）、7個(gè)NADH脫氫酶亞基基因（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5和ND6）和2個(gè)ATP酶的亞基基因（ATP6、ATP8）。黃刺蛾的PCGs區(qū)密碼子總數(shù)為3 716個(gè)，其中，CUC、GUC、CCG、UGG、CGG和AGG不表達(dá)；最常見的氨基酸為亮氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸，13個(gè)PCGs的AT含量為78.7%，AT偏向略正，GC偏向略負(fù)。大多數(shù)鱗翅目的PCGs都以ATN為標(biāo)準(zhǔn)的起始密碼子，僅個(gè)別種的COⅠ起始密碼子不固定或以四聯(lián)體密碼子（ATAA、ATTA、TTAG、GTAA、TTAA）和六聯(lián)體密碼子（TTTTAG、TATTAG、ATTTAA、ATTACG、TATCTA、TAGCGA）作為起始密碼子。褐邊綠刺蛾和黃刺蛾線粒體基因組中除了cox1基因以CGA作為起始密碼子，其余12個(gè)PCGs均以標(biāo)準(zhǔn)的ATN作為起始密碼子，并且以CGA為cox1的起始密碼子在其他節(jié)肢動(dòng)物線粒體基因中也很常見。鱗翅目的PCGs終止密碼子一般為TAA或TAG，也有一些物種以不完整的密碼子T或TA為終止密碼子[25]，但不完整終止密碼子轉(zhuǎn)錄后經(jīng)多聚苷酸化加工補(bǔ)全可形成完整的終止密碼子[26]。黃刺蛾的線粒體編碼基因中有7個(gè)PCGs以標(biāo)準(zhǔn)的TAA為終止密碼子，此外，nad4L基因以A為終止密碼子，cox1、cox2、nad2、nad4和cob基因以不完整的密碼子T作為終止密碼子。

2.3 tRNA基因和rRNA基因特征

tRNA是負(fù)責(zé)攜帶特定的氨基酸并將其轉(zhuǎn)運(yùn)至氨基酸多肽鏈上的RNA，其能夠識(shí)別特定的密碼子。鱗翅目線粒體基因組中，tRNA基因一般為22個(gè)，其中14個(gè)tRNA基因是在J鏈被編碼的，其余8個(gè)均在N鏈被編碼，長度通常為60～75 bp。大多數(shù)后生動(dòng)物中，除tRNA Ser（AGN）基因形成二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)缺少二氫尿嘧啶臂（D臂）無法形成典型的完整三葉草結(jié)構(gòu)，其余所有tRNA均可形成典型的完整三葉草結(jié)構(gòu)[27]。在褐邊綠刺蛾和黃刺蛾的線粒體基因組中，tRNA的特點(diǎn)與大多數(shù)鱗翅目昆蟲相符合。黃刺蛾線粒體基因組的22個(gè)tRNA長度為1 513 bp，每個(gè)tRNA大小在63～73 bp之間，其中A+T含量為82.4%，tRNA的AT偏向略正，GC略負(fù)。

rRNA是核糖體的組成部分，是細(xì)胞內(nèi)含量最多的一種RNA，它可將氨基酸合成肽鏈，與蛋白質(zhì)的合成有關(guān)，是較為重要的RNA。大多真核生物的rRNA為18S rRNA，而鱗翅目的rRNA則為12S rRNA（rrnS）和16S rRNA（rrnL）。在線粒體基因組中，rRNA是進(jìn)化速度最慢，并且二級(jí)結(jié)構(gòu)核心區(qū)域具有高度保守性的基因[28]。rRNA基因堿基的組成中含有大量的A+T，在多數(shù)種中，其A+T的含量多于PCGs中A+T的含量。黃刺蛾線粒體基因組中在trnL1（CUN）和trnV之間或trnV和A+T富集區(qū)之間存在2個(gè)rRNA基因（rrnS和rrnL），二者的大小分別為1 359 bp和793 bp，A+T含量為84.5%，AT偏向略正，GC略負(fù)。

2.4 非編碼區(qū)和基因重疊區(qū)

非編碼區(qū)指不能轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)信使RNA（mRNA）的核苷酸序列，即其不能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，含有參與轉(zhuǎn)錄、復(fù)制的調(diào)控元件。鱗翅目的線粒體基因組非編碼區(qū)包括控制區(qū)和基因間隔區(qū)。

控制區(qū)的A+T堿基含量較高，因此，控制區(qū)又被稱為A+T富集區(qū)或D-loop區(qū)。它是動(dòng)物線粒體基因組的復(fù)制起始區(qū)，也是線粒體中最大的調(diào)控、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄且不編碼蛋白的核酸序

列[29]。鱗翅目昆蟲線粒體基因組的控制區(qū)主要包含5個(gè)元素：5′-端的poly T結(jié)構(gòu)、輕鏈復(fù)制起點(diǎn)、類似微衛(wèi)星的重復(fù)序列、高度變異區(qū)、靠近tRNAMet上游的一段poly A或poly T結(jié)構(gòu)[30]。在大多數(shù)鱗翅目昆蟲線粒體基因組中，還存在著一段保守的特征序列：ATTTA，它位于控制區(qū)中間部分類似微衛(wèi)星的重復(fù)序列前[31]。不同物種的控制區(qū)長度不同，控制區(qū)的長度取決于線粒體基因組總的長度大小。褐邊綠刺蛾的控制區(qū)長度為373 bp，黃刺蛾的控制區(qū)長度為401 bp，二者控制區(qū)均位于rrnS和trnM基因之間，在它們的控制區(qū)中發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)保守結(jié)構(gòu)中包括1個(gè)“ATAGA”序列，并且包含rrnS基因下游的1個(gè)poly T延伸和trnM基因上游的poly A延伸。此外，在黃刺蛾的控制區(qū)還發(fā)現(xiàn)了微衛(wèi)星（AT）10元素位于富含A+T的區(qū)域，并且發(fā)現(xiàn)了3個(gè)串聯(lián)重復(fù)序列。黃刺蛾A+T富集區(qū)A+T堿基含量最高為93.3%，AT偏向和GC偏向均為微負(fù)。

在A+T富集區(qū)還存在著基因間隔區(qū)，它是編碼基因之間存在的非編碼區(qū)域，數(shù)目不等、長短不定[32]，據(jù)研究了解，線粒體基因組大小進(jìn)化朝著減少的趨勢發(fā)展，它的實(shí)現(xiàn)是基于對基因間隔區(qū)的消除或削減[33]?；蜷g隔區(qū)包含5個(gè)元素：ployT、[TA（A） ]n-like結(jié)構(gòu)、莖環(huán)結(jié)構(gòu)、莖環(huán)結(jié)構(gòu)5′的ATA與3′的G（A）n結(jié)構(gòu)以及下游GT富集區(qū)[34]。黃刺蛾線粒體基因組中包含167 bp的基因間隔序列，分布在17個(gè)區(qū)域，大小從1 ～50 bp不等，最長的間隔序列為50 bp位于trnQ和nad2基因之間，富含A+T。

基因重疊區(qū)是指同一段核酸序列可以轉(zhuǎn)錄得到多個(gè)mRNA編碼不同蛋白質(zhì)的基因區(qū)域。在鱗翅目線粒體基因組中也存在著長度較小、數(shù)目不等的基因重疊區(qū)域，一般僅由幾個(gè)堿基對組成，如位于atp6和atp8之間7 bp的“ATGATAA”序列和位于trnW和trnC之間8 bp的“AAGCCTTA”序列。在黃刺蛾線粒體基因組中有6個(gè)位置的基因之間有29 bp重疊，其中最長的為位于trnW和trnC之間的9 bp重疊。

2.5 基因重排

基因重排指DNA的核酸序列發(fā)生重排的現(xiàn)象?；蛑嘏趴煞譃橐孜弧⒌怪没蛟坏怪?、基因重排、異位倒置4類?；蛑嘏趴梢宰鳛橄到y(tǒng)分析標(biāo)記，也是昆蟲進(jìn)化角度分析所用的第二個(gè)重要數(shù)據(jù)。此外，基因重排的程度能夠說明1個(gè)物種分子進(jìn)化速率的快慢，基因重排越明顯，分子進(jìn)化速率越快[35]。鱗翅目昆蟲線粒體基因中tRNA基因的排列始終處于保守狀態(tài)，僅有部分基因簇（trnM-trnl-trnQ）存在2種類型的排列方式（MIQ和IQM）[36]。IQM的復(fù)制可能導(dǎo)致IQMIQM的重排，第一次復(fù)制中IQ和第二次復(fù)制中M的隨機(jī)丟失可能產(chǎn)生了MIQ。這種重排可以通過串聯(lián)復(fù)制隨機(jī)損失（The tandem duplication-random loss，TDRL）模型解釋[37]，AR的易位可能是通過復(fù)制RA塊實(shí)現(xiàn)的，從而導(dǎo)致RARA排列。后續(xù)第一次復(fù)制過程中丟失A，第二次復(fù)制過程中丟失R，導(dǎo)致AR被RA替換。

褐邊綠刺蛾線粒體基因組中具有易位的基因重排現(xiàn)象，其重排方式為MIQ和一種導(dǎo)致“RANSEF”重排的獨(dú)特重排方式。這2種重排方式均可以用TDRL模型進(jìn)行解釋。這種導(dǎo)致“RANSEF”重排的獨(dú)特重排方式是在褐邊綠刺蛾中發(fā)現(xiàn)的一種新重排方式。

據(jù)報(bào)道，在Astrotischeria sp.（Tisch-eriidae in Tischerioidea）線粒體基因組中有1個(gè)RNSAEF重排[38]，這種重排與褐邊綠刺蛾的RANSEF相似，都涉及trnR和trnA區(qū)域，與鱗翅目其他昆蟲形成對比。

3 討論與展望

目前，褐邊綠刺蛾線粒體基因組特點(diǎn)與大多數(shù)鱗翅目昆蟲基本相同，但未對褐邊綠刺蛾線粒體基因組中tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是否存在堿基錯(cuò)誤配對現(xiàn)象、rRNA的位置大小、PCGs區(qū)域的終止密碼子、A+T富集區(qū)是否存在串聯(lián)重復(fù)序列、是否有基因間隔以及基因重疊區(qū)等方面進(jìn)行分析。由此可知，褐邊綠刺蛾的線粒體基因組序列還需更加充分、完整的分析。綠刺蛾屬世界已知253種，我國已記載有46種，已報(bào)道的果樹害蟲有8種，但目前僅有褐邊綠刺蛾線粒體全基因組得到了測序與分析，并且褐邊綠刺蛾中線粒體基因組中發(fā)現(xiàn)了1種獨(dú)特的基因重排。因此，綠刺蛾屬中還需測定更多物種的線粒體基因組并分析其線粒體全基因組特點(diǎn)是否與褐邊綠刺蛾一致。

黃刺蛾屬世界已知7種，我國已記載有4種，但目前僅有黃刺蛾線粒體全基因組被測定。被測定的黃刺蛾線粒體基因組符合大多數(shù)鱗翅目昆蟲的特點(diǎn)，但黃刺蛾線粒體基因組中是否存在基因重排現(xiàn)象，以及tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是否存在堿基錯(cuò)誤配對現(xiàn)象仍有待進(jìn)一步分析。

目前，線粒體基因組測序技術(shù)發(fā)展迅速，但對綠刺蛾屬和黃刺蛾屬線粒體基因組的研究不夠深入。針對線粒體全基因組的研究不僅對刺蛾科昆蟲的系統(tǒng)進(jìn)化和物種起源的準(zhǔn)確分析有至關(guān)重要的作用，還對刺蛾科昆蟲害蟲的快速鑒定、防治起著重要的指導(dǎo)意義，為保護(hù)植被、提高果樹產(chǎn)量提供理論基礎(chǔ)。

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Advances in Mitochondrial Genome Studies of Parasa and Cnidocampa （Lepidoptera Limacodidae）

Yan Jiu-yang et al（College of Life and Geographic Sciences， Kashi University， Kashi， Xinjiang 844006）

Abstract Eucleid caterpillar which belongs to Lepidoptera， limacodidae， Parasa and Cnidocampa is commonly known as hot pepper. They often harm fruit trees， greening trees， crops， etc. There were 9 kinds of harmful phenomena reported in China. The sequencing of mitochondrial genomes lays a foundation for the prevention and control of pests. This paper summarizes the methods of extraction and analysis of the mitochondrial genomes of the two moths， and summarizes the structural characteristics of their mitochondrial genomes， protein-coding genes， tRNA genes， rRNA genes， non-coding regions （control regions and gene interval regions）， gene overlap regions and gene rearrangement phenomena. At the same time， the progress of mitochondrial genome sequencing in the two genera is summarized， and the future sequencing work is also prospected.

Key words Parasa; Cnidocampa; Mitochondrial genome