絨螨目線粒體基因組研究進展

馮蕊，方穎，方瑜，褚凌渺，蘇璇，劉璐瑤，李飛燕，左澤濤，丁嵐，胡彩笑，吳默聞，孫恩濤

1.皖南醫(yī)學院臨床醫(yī)學院，安徽 蕪湖 241002；2.皖南醫(yī)學院檢驗學院

絨螨目（Trombidiformes）亦作恙螨目，屬節(jié)肢動物門（Arthropoda）、蛛形綱（Arachnida）、蜱螨亞綱（Acari）、真螨總目（Acariformes），是一個數(shù)量龐大且分散的類群，近年來仍不斷發(fā)現(xiàn)新種[1]。許多絨螨目螨類具有醫(yī)學和經(jīng)濟學意義，如皮脂蠕形螨和毛囊蠕形螨可引起皮膚組織的炎性反應(yīng)，導致毛囊炎、痤瘡、酒糟鼻、眼瞼緣炎等疾病的發(fā)生[2]；二斑葉螨在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中危害嚴重且防治困難，是世界性的重要害蟲[3]。

線粒體基因組具有分子量小、基因組成穩(wěn)定、普遍為母系遺傳、較少發(fā)生重組和在細胞中拷貝多等特點[4-6]，被廣泛用于種群遺傳學、譜系地理學、分子進化、種系發(fā)生和比較及進化基因組學等多方面的研究[7-9]，極大地加深了人們對物種進化現(xiàn)象及其過程機制的理解，為系統(tǒng)發(fā)育等研究提供了豐富的分子標記。

線粒體基因組的祖征及其系統(tǒng)發(fā)育研究對物種的分類歸屬和進化的決策起著至關(guān)重要的作用。而在絨螨目螨類研究中存在著研究類群不全面、重要類群缺少、數(shù)據(jù)信息發(fā)掘不到位等方面的不足。目前在Genbank數(shù)據(jù)庫中，僅報道了28種84條絨螨目螨類線粒體基因組全序列，包括同一物種重復報道的序列以及葉螨總科不同的單倍型序列，見表1。另外，該目的分科分屬和系統(tǒng)發(fā)育問題正引發(fā)學術(shù)界的激烈討論。本文根據(jù)絨螨目線粒體基因組研究的現(xiàn)有成果，總結(jié)分析了絨螨目線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)特征，綜述了絨螨目的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系并討論了存在的爭議。

表1 絨螨目已報道種類

1 絨螨目線粒體基因組一般特征及重排分析

絨螨目螨類線粒體基因組長度在13049～16779 bp之間，較已獲得的蛛形綱線粒體基因組略小。其中，恙螨科（Trombiculidae）的蒼白纖恙螨（Leptotrombidium pallidum）的線粒體基因組由于含有2個rrnL基因和1個PrrnS序列（rrnS的假基因），長達16779 bp[10]。葉螨科（Tetranychidae）的線粒體基因組則屬于絨螨目中較小的一類，長度為13049～13115 bp[11]。

與其他后生動物相似，絨螨目螨類線粒體基因組在堿基組成上偏向A和T。其中，紅纖恙螨（Leptotrombidium akamushi）A+T含量最低（67.5%）[12]，蘋果全爪螨（Panonychus ulmi）最高（85.6%）[11]。此外，A+T含量通常在同科或同屬物種間相近，如葉螨科4種葉螨線粒體基因組的A+T含量平均值為84.9%±0.66%[11]。

絨螨目螨類線粒體基因組為共價閉合的雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，與典型后生動物相似，多數(shù)具有37 個基因，包括13 個蛋白質(zhì)編碼基因（protein-coding genes，PCGs），2 個rRNA 基因和22 個tRNA 基因。在大部分后生動物中，37個線粒體基因的排列順序相對保守，但在絨螨目已測序的螨類中，其基因組呈現(xiàn)出高度的重排，甚至在同一屬內(nèi)的不同種之間也存在重排現(xiàn)象。如在恙螨科中，與節(jié)肢動物祖先相比，紅纖恙螨和地里纖恙螨（Leptotrombidium Deliense）的17 個基因發(fā)生了易位，8 個基因同時發(fā)生易位和倒位。而蒼白纖恙螨線粒體基因組是一種較為特殊的類型，除具有37 個基因外，還有四個控制區(qū)以及額外的rrnL基因和PrrnS基因，Shao 等[12]在復制-刪除模型基礎(chǔ)上結(jié)合非同源性的基因組間重組模型，推測蒼白纖恙螨的線粒體基因組可從其他2 種纖恙螨屬（Leptotrombidium）基因組演變而來。此外，已公布的恙螨科2 種非纖恙螨線粒體基因（Walchia hayashii，Ascoschoengastia sp.）排序各不相同，各自代表一種排列方式。在蚌螨科（Unionicolidae）中，兩種水螨（Unionicola foili，Unionicola parkeri）基因組相較節(jié)肢動物祖先也發(fā)生了高度重排。且這兩種水螨的基因排列模式在屬內(nèi)也存在不同，與U.foili相比，U.parkeri的trnW和trnC基因的排序發(fā)生了易位[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)蚌螨屬（Unionicola）存在高度分歧的cox1 序列，推測該屬可能存在獨特的基因排列特征[13]。而在葉螨科中，雖然相較于祖先線粒體基因重排程度很高，但在科內(nèi)保持一致[11,15]。癭螨總科（Eriophyoidea）則具有相對于節(jié)肢動物線粒體基因祖先排列模式的最小重排程度和最大保留程度[16-17]。見圖1。

2 絨螨目線粒體蛋白質(zhì)編碼基因特征

絨螨目螨類PCGs 廣泛使用ATN（ATG，ATT，ATA，ATC）作為起始密碼子，少數(shù)使用非標準的起始密碼子，如cox1 基因（Leipothrix sp.）、nad5 基因（U. parkeri, U. foili）、nad4L基因（Leipothrix sp.）使用TTG，cox1 基因（Phyllocoptes taishanensis）、atp8基因（P. taishanensis）使用CTG。終止密碼子大多為TAA或TAG，部分螨類在蛋白質(zhì)翻譯時還使用T或TA 作為轉(zhuǎn)錄終止信號，后者在轉(zhuǎn)錄后可能經(jīng)聚腺苷酸化最終形成完整的終止密碼子[18]。然而，在U. foilii的nad4L基因中未發(fā)現(xiàn)終止密碼子，Ernsting 等[13]推測在U. foilii線粒體基因組中nad4L和nad5組成融合基因，進行融合蛋白的表達。密碼子偏性（codon bias）在后生動物中普遍存在，這種偏性也在已測得的絨螨目螨類線粒體基因組中發(fā)現(xiàn)。例如，柑橘全爪螨（Panonychus citri）相對同義密碼子頻率（RSCU）顯示，第三位為A或T的密碼子總是過度使用[11]。

3 絨螨目線粒體rRNA基因特征

通常，基因簇rrnS-trnV-rrnL在許多后生動物中高度保守。但在目前已測得的絨螨目螨類中，只有癭螨總科保持著這種基因簇的形式，而恙螨科3 種纖恙螨的rrnL和rrnS直接相連，蚌螨科（U. foili和U. parkeri）和恙螨科（W. hayashii和A. sp.）則顯示rrnL和rrnS之間伴有nad1 基因和1～2個tRNA的插入，在恙螨科的蒼白纖恙螨中，還額外發(fā)現(xiàn)了一個rrnL和PrrnS[12]。而葉螨科的4 種葉螨的2 個rRNA基因相距甚遠，插入了5 個PCGs 和5 個tRNA 基因[11]，見 圖1。Edwards 等[14]認 為2 個rRNA 之 間nad1基因的插入，可作為絨螨目中蚌螨科與恙螨科之間的共同衍征，但未發(fā)現(xiàn)該特征存在于葉螨科和恙螨科纖恙螨屬的螨類中。同時，研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)節(jié)肢動物線粒體rrnL和rrnS基因均由N-鏈編碼[19-22]。相反，在絨螨目中，恙螨科纖恙螨屬（L.pallidum、L. akamushi和L. deliense）[10]和葉螨科（Tetranychus urticae，Tetranychus cinnabarinus，P. ulmi和P.citri）的rRNA 基因均在J-鏈上編碼[11]。此外，由于rRNA 的二級結(jié)構(gòu)主要由多種莖區(qū)和環(huán)區(qū)組成，在不同的物種中莖環(huán)的數(shù)目、大小和位置存在差異，因此可通過預(yù)測其二級結(jié)構(gòu)，選擇合適的基因區(qū)段來進行同源性比較，然而關(guān)于這方面研究在絨螨目中仍很匱乏。

圖1 絨螨目線粒體基因組的排列

4 絨螨目線粒體tRNA基因特征

在后生動物中，典型的線粒體tRNA 基因具有三葉草型二級結(jié)構(gòu)，即包括7 bp 的氨基酸接受莖，5 bp 的反密碼子莖，T 臂和D 臂。真螨總目中，tRNA二級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出大量的D臂或者T臂缺失，在絨螨目中這種現(xiàn)象尤為顯著：葉螨科的22個線粒體tRNA 中有19 個二級結(jié)構(gòu)缺少D臂或T臂，甚至在一些種中，trnF和trnN同時缺少D臂和T臂[11，15]；蠕形螨科（Demodicidae）有15 個tRNA 缺少D臂或T臂，有5 個同時缺少D臂和T臂[23]；恙螨科有18 個tRNA缺少D臂或T臂[10,12-13]；蚌螨科有15個tRNA缺臂[13-14]。癭螨總科中，四個已報道的種都有缺臂的tRNA，雖然其重排程度在真螨總目中最低，但缺臂程度卻是最高的。四種癭螨的22 個tRNA 中16 個缺失D臂或T臂。另外，在絨螨目中，缺臂的特征在科內(nèi)基本上保持一致，而科間存在差異。

5 絨螨目線粒體控制區(qū)

控制區(qū)是后生動物線粒體基因組中富含AT 的最大非編碼區(qū)（large non-coding region，LNR），通常與rrnS基因相鄰，形成多個潛在的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。因大多數(shù)節(jié)肢動物的AT富集區(qū)廣泛存在一系列保守的序列元件和二級結(jié)構(gòu)特征，這段區(qū)域被廣泛認為是線粒體基因組復制和轉(zhuǎn)錄相關(guān)的控制元件[24-25]。

線粒體基因組中非編碼區(qū)的保守性普遍低于編碼區(qū)。在已測得的絨螨目線粒體基因組中，LNR的長度、位置和序列變異顯著。真螨總目螨類大多含有一個LNR，而絨螨目3 種螨類（L. akamushi、L.deliense和U.foili）具有2個LNRs，蒼白纖恙螨則有4個LNRs。LNR序列種內(nèi)相似性大于種間相似性，證明同一物種的多個LNRs 之間為協(xié)同進化[12]。但值得注意的是U.foili的2 個LNRs 序列之間差異顯著。此外，復制-刪除模型無法解釋纖恙螨屬線粒體基因組中轉(zhuǎn)錄方向相反的LNR 之間的協(xié)同進化現(xiàn)象，而基因轉(zhuǎn)換可對此作出較好解釋[12]。多數(shù)真螨總目螨類線粒體控制區(qū)均可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，或存在一些保守序列，但4 種葉螨的控制區(qū)序列存在明顯差異，僅有數(shù)個較短保守序列。同時，4 種葉螨的AT富集區(qū)均可形成穩(wěn)定莖環(huán)的二級結(jié)構(gòu)，全爪螨屬（P. citri和P. ulmi）有2 個穩(wěn)定的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，而葉螨屬（T.urticae和T.cinnabarinus）僅有1 個。比較發(fā)現(xiàn)，LNRs 區(qū)域的保守序列或莖環(huán)結(jié)構(gòu)即使在絨螨目親緣關(guān)系很近的物種間也少有相似性。絨螨目螨類LNR 中較長的有W.hayashii（1403 bp）、A.sp.（1205～1234 bp）和U.parkeri（977 bp），但葉螨科4種葉螨的AT 富集區(qū)較短，僅44～57 bp，這種長度的變異在絨螨目中十分明顯。除LNR大小外，其相對位置在絨螨目基因組中也具有一定變異：葉螨科4種葉螨線粒體AT 富集區(qū)位于cox1 和nad3 基因之間，蚌螨科2 種蚌螨和恙螨科中W.hayashii的LNR兩側(cè)分別是trnL1 和trnH基因以及trnS1 和trnT基因[26]，見圖1。

6 絨螨目系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

系統(tǒng)發(fā)育可以闡述物種之間的進化和親緣關(guān)系。近年來，分子技術(shù)的高速發(fā)展使系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系傾向于用分子建樹闡述。由于線粒體基因組具有分子量小、拷貝數(shù)多等特點，常常被用于系統(tǒng)發(fā)育研究。同時可以結(jié)合形態(tài)學特征，探討物種的分類歸屬問題。

蜱螨亞綱在較高水平（目或總股）的親緣關(guān)系一直存在爭議。有學者將蜱螨亞綱分為真螨總目（Acariformes）和寄螨總目（Parasitiformes），大致對應(yīng)著兩個總目螨類的生活方式和生活環(huán)境，但是很多蜱螨學家認為兩個譜系之間并沒有很深的密切聯(lián)系，支持蜱螨亞綱為多系。在之前研究中，真螨總目、寄螨總目常常恢復為單系，但蜱螨亞綱的單系沒有得到恢復[27-28]。

真螨總目下設(shè)絨螨目和疥螨目（Sarcoptiformes）。根據(jù)最新的分類系統(tǒng)，絨螨目分類見圖2。

圖2 絨螨目已測序種類分類

研究表明，在癭螨總科線粒體基因組被測序之前，由于絨螨目序列信息不足以及關(guān)鍵物種分類序列缺失，導致在之前的系統(tǒng)發(fā)育研究中，絨螨目往往被恢復為單系[15，23]。但在包括了癭螨的蜱螨亞綱系統(tǒng)發(fā)育分析中，在真螨總目內(nèi)，支持疥螨目的單系性卻不支持絨螨目的單系性，且癭螨單獨聚為一支[29]。

癭螨總科屬絨螨目（Trombidiformes）、前氣門亞目（Prostigmata）、真足螨總股（Eupodides），現(xiàn)有4種序列在Genbank上報道。大多數(shù)癭螨有較高的寄主植物特異性，目前的形態(tài)學和分子研究都支持癭螨總科的單系性，但癭螨總科在蜱螨亞綱的系統(tǒng)發(fā)育地位仍然存在爭議。由于具有不愈合的螯肢、退化的口針結(jié)構(gòu)、大體缺乏成對的側(cè)腺體、側(cè)毛只有1～2對等特征，認為癭螨的類群是絨螨目下的一個總科，設(shè)為癭螨總科。但在某種意義上，癭螨歸入疥螨目也可以說得通。即使沒有作為疥螨目鑒定特征的氣門系統(tǒng)，癭螨也有很多疥螨目的特征：比如足有羽狀爪，無氣管系統(tǒng)，以及某些原始種群中缺少側(cè)腺體等[29]。

Xue等[17]為了推測癭螨總科在蜱螨亞綱中的系統(tǒng)發(fā)育地位，選取了包括癭螨在內(nèi)的110 個蜱螨種類的線粒體基因組序列，構(gòu)建了蜱螨亞綱高級階元的系統(tǒng)發(fā)育樹。此外，還選取231個蜱螨種類（包括25 個癭螨種類）的18S 核基因序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。兩套數(shù)據(jù)的分析結(jié)果都支持以往研究中癭螨總科的單系性，但不支持絨螨目的單系性。依據(jù)不同的數(shù)據(jù)分析方法，得到兩種略有差異的結(jié)果：一種是支持癭螨和疥螨目聚類，另一種則支持癭螨是“疥螨目＋非癭螨的絨螨目”的姐妹群。但這兩種結(jié)果都表示癭螨總科可能不適于放在絨螨目下。還有一些研究基于線粒體基因組氨基酸序列所建的系統(tǒng)發(fā)育樹恢復了傳統(tǒng)的絨螨目祖先分支關(guān)系，但在這種情況下，癭螨總科會和異氣門總股（Eleutherengonides）聚合[30]。

有學者提出一種假說，將癭螨總科置于內(nèi)氣門亞目（Endeostigmata）下，和線美螨科（Nematalycoidae）位置相鄰[31-32]。但內(nèi)氣門亞目由幾種寄居在土壤的科屬組成，和癭螨的生活環(huán)境大相徑庭。Arribas等[30]基于癭螨總科引起的絨螨目的分類爭議，采用蜱螨亞綱一百多條具有代表性的線粒體基因組，進一步探討蜱螨亞綱系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系時，其一種系統(tǒng)發(fā)育樹顯示，癭螨總科從真螨總目中最先分離，而后分為絨螨目和疥螨目，反對絨螨目的單系性。研究還提出除去癭螨總科的絨螨目內(nèi)部總股之間的分類也只是部分符合之前所述的形態(tài)假設(shè)，需要更深地了解整個癭螨-絨螨目關(guān)系的復雜性，同時也要注重真足螨總股（Eupodides）和大赤螨總股（Anystides）的非單系性。

7 展望

由于在動物進化過程中，線粒體基因很少出現(xiàn)重排。當重排出現(xiàn)時，可為闡明絨螨目物種間深層次的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系提供重要參考。例如，絨螨目的蚌螨科和恙螨科（除A.sp.外）共享nad4-trnR-trnVnad6-cytB基因的排列，以該區(qū)域為基礎(chǔ)的基因結(jié)構(gòu)支持他們的近緣關(guān)系[14]。

在已測得的絨螨目線粒體基因組tRNA二級結(jié)構(gòu)的氨基酸接受臂、D臂、反密碼子臂和T臂均存在一定數(shù)量的堿基錯配。這些錯配嚴重影響到tRNA基因的預(yù)測，因為錯配的tRNA基因與隨機DNA序列差異不明顯，導致tRNA 基因的準確注釋存在較大困難[26]。而且，高度截斷的tRNA 也大大增加了注釋的工作難度，很可能在軟件預(yù)測中出現(xiàn)難以置信的二級結(jié)構(gòu)或者在預(yù)測過程中被忽略。后生動物線粒體基因組中tRNA的二級結(jié)構(gòu)和反密碼子在低級分類（科或?qū)伲┫鄬ΡＪ?。因此，除線粒體基因序列特征外，tRNA 二級結(jié)構(gòu)特征也具有潛在的系統(tǒng)進化信息，尤其在非典型tRNA 二級結(jié)構(gòu)廣泛存在的絨螨目螨類中。例如，通過對蚌螨科2 種蚌螨（U. foili、U. parkeri）和恙螨科2 種恙螨（L. akamushi、W.hayashii）tRNA 基因比對發(fā)現(xiàn)，多數(shù)tRNA 具有保守的反密碼環(huán)序列，且同一科內(nèi)所得的二級結(jié)構(gòu)完全一致[14]。同時，利用線粒體基因組tRNA 基因的二級結(jié)構(gòu)和反密碼子在低級分類的保守性，可避免近緣種中tRNA基因的錯誤注釋。

對于絨螨目癭螨總科的研究已經(jīng)持續(xù)了一個多世紀，但其系統(tǒng)發(fā)育研究較少，癭螨總科的分類地位在形態(tài)祖征和分子信息上缺少足夠的系統(tǒng)發(fā)育證據(jù)。絨螨目的研究也主要集中于新種的描述，其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系以及分類問題也因為缺乏重要分類類群的物種信息而困難重重，如吸螨總科尚未見全序列報道。因此，加強絨螨目線粒體功能基因組學的研究，獲得新的重要類群物種信息對于闡明癭螨總科系統(tǒng)發(fā)育位置以及解決絨螨目的系統(tǒng)發(fā)育問題具有重要意義。