弹尾纲线粒体系统发育基因组学研究与高通量测序技术的应用

This study will get the complete mitochondrial genomes sequenced from exemplar taxa of Collembola representing all orders and major families of the group. The taxon sampling will be guided by the taxonomic system of Collembola. Higher level phylogenetic relationships within Collembola will be reconstructed based on mitochondrial genome sequences. Except using the traditional Sanger sequencing technology, Next-generation sequencing technologies will be adopted to sequence the mt genomes of Collembola. The study will try to find out a fast and effective pipeline to sequence mt genomes via high throughput sequencing technologies. After obtaining sufficient mt genomes for most major clades of Collembola, the evolution ways of hexapods mt genomes will be investigated by comparing the mt genomes of Collembola with those of Protura, Diplura and Insecta. Phylogenetic studies will be carried out to discuss the inter-relationships between Collembola clades, to clarify the phylogenetic position of Collembola within Hexapoda, and to provide evidences to the disputed problems in Collembola taxonomic systems.

本项目以低等六足动物弹尾纲（Collembola）的分类系统为参考，选取该类群各目和主要科的代表物种进行线粒体基因组全序列测定，通过线粒体系统发育基因组学分析，重建该类群高级阶元的系统发生关系。在采用传统Sanger测序技术测定弹尾类线粒体基因组序列的基础上，进一步建立和完善利用高通量测序平台快速、高效地进行弹尾纲物种线粒体基因组序列测定的技术方案。在获得类群全面的弹尾纲物种线粒体基因组数据的基础上，与原尾纲、双尾纲和昆虫纲的线粒体基因组进行比较，分析该类群线粒体基因组的进化特点，通过分子系统学手段，探讨弹尾纲各类群间的系统关系，明确弹尾纲在六足总纲中的系统地位，为解决弹尾纲分类系统中存在的争议问题提供证据。

弹尾纲（Collembola，俗称跳虫）是地球上物种最为丰富的陆生无脊椎动物类群之一，分布极为广泛，但目前相关研究还主要集中在分类学和土壤动物生态群落研究上，其遗传多样性和功能基因组等研究还比较匮乏。线粒体基因组是在系统发生分析中广为使用的分子标记，然而在本项目开展之前，公共数据库中的弹尾纲物种的线粒体基因组还不到10条，与超过8000种的已被描述跳虫物种数相差甚远,且已被报道的物种主要集中在体型较大的长角跳目(Entomobryomorph)和原跳目(Poduromorpha)。本研究参照跳虫的分类系统，较为系统全面的对20余种弹尾纲物种的线粒体基因组进行了测定分析，共得到了16种完整的，3种近乎完整的跳虫线粒体基因组序列，另外还测得多个物种不同长度的线粒体基因片段序列，并根据这些数据进行了弹尾纲系统发生分析。短角跳目(Neelidae)是弹尾纲中体型最小、分类地位最具争议的类群，然而该类群物种分类鉴定和实验操作难度大，本研究首次创新性地借鉴单细胞测序技术，同时采用MALBAC(Multiple Annealing and Looping Based Amplification Cycles, 即多次退火环状循环扩增技术)和MDA(multiple displacement amplification，即多重置换扩增技术)进行微量全基因组扩增并结合高通量测序技术，成功地获得了首个短角跳物种的线粒体基因组全序列。通过本项目的探索，解决了应用高通量测序技术进行弹尾纲线粒体基因组测序的实验和生物信息分析的技术难题，成功地构建了高效低成本基于高通量测序技术的跳虫线粒体基因组测序流程。