Analyses mitogénomes comparatives de douze non

Sep 11, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9200 (2023) Citer cet article

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La famille des Chironomidae est représentée par sept sous-familles en Chine, parmi lesquelles Chironominae et Orthocladiinae sont les plus diversifiées. Pour mieux comprendre l'architecture et l'évolution des mitogénomes des Chironomidae, nous avons séquencé les mitogénomes de douze espèces (dont deux espèces publiées) des deux sous-familles Chironominae et Orthocladiinae, et des analyses mitogénomiques comparatives ont été réalisées. Ainsi, nous avons identifié une organisation génomique hautement conservée de douze espèces en ce qui concerne le contenu du génome, la composition des nucléotides et des acides aminés, l'utilisation des codons et les caractéristiques des gènes. Les valeurs Ka/Ks de la plupart des gènes codant pour les protéines étaient bien inférieures à 1, ce qui indique que ces gènes évoluaient sous sélection purificatrice. Les relations phylogénétiques entre la famille des Chironomidae ont été reconstruites à l'aide de 23 espèces représentant six sous-familles, sur la base de gènes codant pour des protéines et d'ARNr à l'aide de l'inférence bayésienne et du maximum de vraisemblance. Nos résultats suggèrent la relation suivante au sein des Chironomidae : (Podonominae + Tanypodinae) + (Diamesinae + (Prodiamesinae + (Orthocladiinae + Chironominae))). Cette étude contribue à la base de données mitogénomique des Chironomidae, qui sera importante pour l'étude de l'évolution mitogénomique des Chironomidae.

Le génome mitochondrial des animaux est généralement petit (15 à 20 kb) et comprend 37 gènes, soit 13 gènes codant pour des protéines (PCG), 22 gènes d'ARN de transfert (ARNt), les grands et petits gènes d'unité d'ARN ribosomal (rrnL et rrnS, respectivement). Il existe également généralement une seule grande région non codante qui contient des éléments de contrôle de la réplication et de la transcription, et diverses régions d'espacement et de chevauchement se trouvent dans le génome mitochondrial1,2,3,4. Contrairement au génome nucléaire, les mitogénomes sont généralement hérités de la mère, ils se produisent à des centaines à des milliers de copies par cellule5 et ils présentent très peu de recombinaison chez les animaux6,7. De plus, la comparaison des arrangements de gènes mitochondriaux animaux est devenue un moyen puissant pour déduire des relations évolutives à long terme, car les réarrangements semblent être des événements uniques et généralement rares qui ne se produiront probablement pas indépendamment dans des lignées évolutives distinctes1.

Les chironomidés (Diptera : Chironomidae) sont des insectes aquatiques importants, et ils sont largement distribués dans toutes les régions biogéographiques du monde. De plus, les larves de chironomes sont des bioindicateurs couramment utilisés des écosystèmes d'eau douce8. L'étude de l'évolution systématique des Chironomidae était initialement basée sur la morphologie9,10, cependant, la génétique moléculaire moderne a encore résolu la diversité taxonomique et la phylogénétique, principalement grâce à des marqueurs génétiques, y compris les séquences mitochondriales11,12,13,14,15,16. De plus, les Chironomidae sont un grand groupe d'insectes Diptera, avec plus de 6300 espèces connues, cependant, seuls quelques mitogénomes complets de Chironomidae ont été publiés jusqu'à présent17,18,19,20,21,22,23,24,25,26. Les études antérieures fournissent principalement des descriptions de génomes mitochondriaux uniques ou des analyses comparatives de mitogenomes au sein de genres ou de sous-familles. Cependant, il existe peu de mitogenomes et d'études comparatives des sous-familles Orthocladiinae et Chironominae les plus diverses. De plus, certaines controverses subsistent concernant les relations phylogénétiques au sein des Chironomidae.

Dans cette étude, nous présentons de nouvelles informations sur les relations phylogénétiques entre les différentes sous-familles de Chironomidae. En outre, nous avons effectué des analyses comparatives de la structure du mitogénome, de la composition de base et des taux d'évolution parmi douze espèces représentant les sous-familles Orthocladiinae et Chironominae. À l'aide de mitogenomes précédemment publiés des sous-familles Prodiamesinae, Podonominae, Tanypodinae et Diamesinae, nous avons utilisé des gènes mitochondriaux isolés de mitogenomes complets pour explorer la phylogénie des Chironomidae. De plus, nous évaluons la monophylie des Orthocladiinae et proposons de transférer le genre Propsilocerus d'Orthocladiinae à Prodiamesinae.

Nous avons inclus dix mitogénomes de Chironomidae non publiés auparavant et deux mitogénomes complets publiés (c.-à-d. Chironomus nipponensis23 et Polypedilum nubifer24). De plus, 11 séquences du génome mitochondrial de Chironomidae précédemment publiées ont été extraites de NCBI Genbank. Au total, 23 espèces de Chironomidae ont été utilisées comme endogroupes, dont 12 Chironominae, 5 Orthocladiinae, 3 Prodiamesinae, 1 Podonominae, 1 Tanypodinae et 1 Diamesinae. Les informations sur la collection et les numéros d'accession de tous les spécimens sont présentés à l'annexe S1. Les échantillons ont été identifiés sur la base de descriptions morphologiques et ont été conservés et stockés dans de l'éthanol à 85 %. Les groupes externes ont été sélectionnés sur la base d'hypothèses phylogénétiques publiées chez les Culicomorpha qui considèrent les Chironomidae étroitement liés aux Ceratopogonidae et aux Simuliidae27,28. Tous les spécimens séquencés pour cette étude ont été déposés au College of Biology and Agricultural Resources, Huanggang Normal University, Hubei Province, China. L'ADN génomique a été extrait de trois à cinq échantillons adultes regroupés dans un tube à centrifuger à l'aide du kit TIANamp Micro DNA (TIANGEN Biotech, Pékin, Chine), conformément aux instructions du fabricant.

Des bibliothèques de séquençage appariées avec une taille d'insert de 350 pb ont été construites à partir d'extraits d'ADN purifiés selon un protocole standard pour la construction de bibliothèques d'ADN Illumina. Le séquençage a été réalisé à l'aide d'une plateforme Illumina NovaSeq 6000 (Illumina, San Diego, CA, USA) par un prestataire de services commercial (Origingene, Shanghai, Chine). Une évaluation de la qualité des fichiers FASTQ bruts des deux bibliothèques a été réalisée à l'aide de FastQC v0.11.8 (http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/). Les séquences d'adaptateur ont été supprimées à l'aide de Trimmomatic v0.3029, et environ 2 Go de données propres ont été conservées par bibliothèque après le rognage. Les séquences originales ont été filtrées pour obtenir des séquences propres de haute qualité qui ont ensuite été assemblées à l'aide de spades v.3.11.130 et Getorganells31.

Après assemblage, MITOS32 et ORF finder (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orfinder/) ont été utilisés pour l'annotation des PCG et des gènes d'ARN ribosomal (ARNr). Ensuite, NCBI Blastp et Blastn (valeur e <0, 001, identité> 90%) ont été appliqués pour comparer les gènes PCG et ARNr des mitogenomes d'espèces apparentées signalés précédemment. ARWEN1.233 (http://mbio-serv2.mbioekol.lu.se/ARWEN/) et tRNAscan-SE 2.034 ont été utilisés pour annoter les ARNt.

Les cartes mitogénomes ont été produites à l'aide du serveur CG View 1.035. MEGA X36 et Codonw 1.4.4 ont été utilisés pour les analyses statistiques de la composition de base, de l'utilisation des codons et de l'utilisation relative des codons synonymes (RSCU). MISA37,38 a été utilisé pour la détection de séquences répétées simples (SSR) dans tous les génomes. DnaSP 6.12.0339 a été utilisé pour l'analyse des taux de substitution non synonymes (Ka) et des taux de substitution synonymes (Ks). Le biais de la composition des nucléotides a été calculé selon le biais AT = (A−T)/(A+T) et le biais GC = (G−C)/(G+C), comme indiqué précédemment40. Les données AT-Skew et GC-Skew ont été normalisées pour la visualisation à l'aide de R (package pheatmap).

Des analyses phylogénétiques ont été effectuées dans l'inférence bayésienne et le maximum de vraisemblance en utilisant tous les gènes PCG et ARNr dans PhyloSuite41 avec plusieurs programmes de plug-in : la première procédure consiste à normaliser les noms de gènes synonymes et à identifier les caractéristiques d'annotation problématiques, suivies d'une extraction de séquence ; par la suite, les séquences de nucléotides et d'acides aminés des gènes ont été alignées individuellement à l'aide de Mafft v7.40742 avec le mode d'alignement normal et coupées à l'aide de Gblocks v0.9143 avec les paramètres par défaut pour supprimer les régions alignées de manière ambiguë. Les alignements de 13 PCG et de 2 ARNr ont ensuite été concaténés dans une supermatrice avec la fonction "concaténer les séquences". De plus, cette fonction peut enregistrer l'index de chaque gène lors de la concaténation et générer un fichier de partition, qui peut être utilisé dans le logiciel PartitionFinder. Ensuite, PartitionFinder244 a sélectionné les schémas et modèles de partitionnement les mieux adaptés pour les séquences concaténées sur la base du critère AICc. Des analyses de vraisemblance maximale (ML) utilisant le mode de partition ont été effectuées à l'aide de IQ-TREE 1.6.845, d'un amorçage à l'aide d'ultrafast46, et les valeurs de support nodal ont été calculées avec 5 000 réplicats d'amorçage. L'analyse d'inférence bayésienne (BI) a été effectuée à l'aide de MrBayes 3.2.647 avec les modèles de partition. Des séries de chaînes de Markov Monte Carlo de 200 000 générations ont été menées et les arbres ont été échantillonnés toutes les 1 000 générations, les premiers 25 % des arbres étant rejetés comme brûlage. Anopheles quadrimaculatus (accession NCBI NC000875), Wyeomyia confusa (MK575492), Simulium variegatum (NC033348), Simulium maculatum (NC040120), Forcipomyia sp. (MK000395) et Culicoides arakawae (NC009809) ont été utilisés comme groupes externes. La topologie arborescente a été visualisée à l'aide d'iTOL48.

L'ordre des gènes et les caractéristiques d'arrangement des douze mitogénomes dans la présente étude (Chironomus kiiensis, Chironomus nipponensis, Chironomus plumosus, Dicrotendipes pelochloris, Dicrotendipes sp., Einfeldia sp., Glyptotendipes tokunagai, Limnophyes sp., Nilodorum tainanus, Polypedilum nubifer, Smittia aterrima et Tanytarsus pour mosanus) étaient similaires à ceux d'autres chironomes rapportés précédemment (par exemple, 20, 22, 25, 26. Les mitogénomes étaient circulaires et comprenaient 13 PCG, 2 gènes d'ARNr et 22 gènes d'ARNt (Fig. 1). La longueur du mitogénome variait de 15 699 pb chez Dicrotendipes sp. la variation était due à des différences dans la région de contrôle, et certains génomes présentaient des régions non codantes supplémentaires dans la région codante Parmi ces gènes, quatre PCG (ND1, ND4, ND4L et ND5), huit ARNt (trnQ, trnC, trnY, trnF, trnH, trnP, trnL et trnV) et deux ARNr (ARNr 12S et ARNr 16S) étaient codés par la minorité brin majoritaire (brin N), tandis que les 23 autres gènes étaient localisés sur le brin majoritaire (brin J) (Annexe S2). ATP8-ATP6 et ND4L-ND4 se chevauchaient par sept nucléotides (ATGATAA et ATGTTAA, respectivement) chez les douze espèces de Chironomidae.

Cartes mitogénomes de 12 espèces de Chironomidae.

Tous les mitogénomes examinés ici ont montré des biais de composition de base comme ceux généralement observés dans les mitogénomes d'insectes49. Le contenu AT et les statistiques de biais sont présentés dans le tableau 1, indiquant un biais A + T prononcé (75,55 % à 79,45 %). La région de contrôle a montré la teneur en A + T la plus élevée, variant de 95,39% (Chironomus nipponensis) à 99,14% (Einfeldia sp.), Alors que les première et deuxième positions de codon des PCG avaient la teneur en A + T la plus faible, variant de 66,77 à 71,01%. En ce qui concerne les mitogénomes complets, les valeurs AT-skew étaient positives, variant de 0,010 (Einfeldia sp.) à 0,057 (Polypedilum nubifer), tandis que les valeurs GC-skew étaient négatives chez toutes les espèces, variant de − 0,257 (Polypedilum nubifer) à − 0,147 (Limnophyes sp.) (Fig. 2).

(A) Valeurs AT-skew de divers ensembles de données de douze mitogénomes chironomides. Regroupement hiérarchique des espèces de chironomes (axe y) basé sur AT-skew. (B) Valeurs GC-skew de divers ensembles de données de douze mitogénomes chironomides. Regroupement hiérarchique des espèces de chironomides (axe y) basé sur le GC-skew. La légende montrait le score normalisé des valeurs AT-Skew et GC-Skew.

L'analyse à l'aide de MISA37 a montré la présence de 5 à 19 SSR inégaux dans chacun des 12 mitogenomes (Fig. 3), et les SSR étaient principalement dominés par des répétitions d'un seul nucléotide; le nombre de répétitions dinucléotidiques de chaque espèce était généralement de 1 ou 2 (sauf pour Dicrotendipes sp., Einfeldia sp.). Les répétitions de trinucléotides ne se sont produites que chez Nilodorum tainanus et Smittia aterrima. Le nucléotide unique était répétitif pour A/T, et le dinucléotide ne répétait que les types AT/TA. Les répétitions de trinucléotides n'ont montré que des répétitions d'ATT et aucun type de CG/GC n'a été détecté. Tous les SSR contenaient des ratios élevés de bases A ou T.

Répétitions de séquences simples (SSR) dans les génomes mitochondriaux de 12 espèces.

Les mitogénomes comprenaient 13 PCG classiques, dont 7 étaient des gènes de la sous-unité NADH déshydrogénase (nad), 3 étaient des gènes de la sous-unité cytochrome c oxydase (cox), 2 étaient des gènes de la sous-unité ATP synthase (atp) et 1 était un gène du cytochrome b (cytb). La longueur totale des PCG variait de 11 106 à 11 220 bp, et la teneur en A + T dans cette région variait de 72,55 à 76,54 %. La teneur en A + T de la troisième position de codon (82, 32 à 91, 98%) était plus élevée que celle des premier (67, 58 à 71, 01%) et deuxième codons (66, 77 à 68, 33%) (tableau 1).

Six types de codons d'initiation (ATG, ATC, GTG, ATT, ATA et TTG) ont été observés (Fig. 4). Parmi les espèces, les codons d'initiation du même PCG différaient; le gène atp8 a commencé avec ATA, ATT, GTG ou ATC chez différentes espèces ; le gène coxI commençait par TTG, ATA, ATT ou ATG ; le gène nad1 a commencé avec TTG, ATA, ATT ou GTG ; le gène nad2 a commencé avec ATA, ATT ou ATG ; le gène nad3 a commencé avec ATT ou ATC ; le gène nad5 a commencé avec ATT ou GTG ; le gène nad6 a commencé avec ATA, ATT ou ATC ; les gènes atp6, coxII, coxIII, cytb, nad4 et nad4L ont commencé avec ATG. La présence de codons d'initiation alternatifs dans les génomes mitochondriaux peut avoir des implications pour l'expression des gènes, l'efficacité de la traduction et la précision de la traduction. Par exemple, un variant de codon d'initiation TTG a été identifié pour le gène coxI, plutôt que le codon d'initiation ATN classique. Cette variation peut entraîner une diminution de l'efficacité de la traduction, provoquant ainsi une expression incomplète de la protéine.

Comparaison des codons d'initiation (A) et des codons d'arrêt (B) des PCG de douze espèces.

De plus, il existe deux types de codon stop : TAA et TAG. Le gène nad4 se terminait par TAA ou TAG, d'autres gènes se terminaient par TAA (annexe S2). La longueur de chaque PCG était constante parmi les espèces (Fig. S1), dont le gène nad5 était le plus long (1600–1800 bp), suivi du gène coxI (1500–1600 bp), et le gène ATP8 était le plus court (< 200 bp).

Le nombre total de codons variait de 3702 à 3740 dans les 13 gènes codant pour les protéines à l'exclusion des codons d'arrêt (tableau 1). Les codons codant pour Ile, Leu2, Phe et Ser2 (492–543, 390–469, 368–435 et 213–228, respectivement) étaient plus abondants que les codons codant pour d'autres acides aminés. Les codons codant Trp, Cys et Met étaient moins nombreux (5–15, 29–40 et 19–40, respectivement) (Fig. 5). Les 12 mitogénomes partageaient les mêmes familles de codons et avaient des caractéristiques similaires de RSCU. Pour chaque acide aminé, les codons d'utilisation les plus répandus étaient NNA et NNU (Fig. 6), ce qui était cohérent avec la teneur plus élevée en A + T du troisième codon des PCG.

Modèles d'utilisation des codons dans les 12 mitogenomes. Les familles de codons sont représentées sur l'axe X et le nombre total de codons est représenté sur l'axe Y.

Utilisation relative des codons synonymes (RSCU) pour les génomes mitochondriaux de douze espèces. Les familles de codons et les valeurs RSCU sont indiquées sur l'axe Y. Le regroupement hiérarchique des espèces de chironomes (axe des abscisses) basé sur le RSCU est indiqué sur l'axe des abscisses.

Le rapport Ka / Ks (ω) a été utilisé pour étudier les taux d'évolution des PCG mitochondriaux (Fig. 7). Les résultats ont montré que les valeurs ω des 12 PCG (sauf nad5) étaient toutes inférieures à 1,0, indiquant un mécanisme de réparation puissant contre les mutations délétères dans la plupart des PCG. Cependant, le rapport Ka/Ks différait significativement entre les gènes individuels, ce qui implique que la région comprenait des contraintes fonctionnelles variables. La valeur Ka/Ks de nad5 était la plus élevée, impliquant la pression sélective la moins purifiante. coxI présentait la valeur Ka/Ks la plus faible, indiquant la pression sélective de purification la plus forte.

Taux d'évolution (Ka/Ks) de chaque PCG. Les noms des PCG sont indiqués sur l'axe X et les valeurs Ka/Ks sont indiquées sur l'axe Y.

Vingt-deux ARNt typiques ont été trouvés chez douze espèces de Chironomidae. Le nombre de paires de bases dans les 22 ARNt variait de 64 à 74 pb (trnK) (annexe S2). La teneur en AT des gènes d'ARNt était biaisée en A + T, allant de 79,21 % (Limnophyes sp.) à 81,11 % (Polypedilum nubifer). Tous les ARNt présentaient un biais AT positif et un biais GC positif (tableau 1, figure 2).

Les deux gènes codant pour les sous-unités ribosomales étaient situés entre trnV et la région de contrôle et entre trnL1 et trnV, respectivement. La longueur des gènes rrnL variait de 1299 à 1430 bp, et celle des gènes rrnS variait de 785 à 837 bp (Annexe S2). Les gènes d'ARNr 12S et les gènes d'ARNr 16S se trouvaient sur le brin N. La teneur en A + T des gènes d'ARNr 12S variait de 82,29% (Smittia aterrima) à 84,32% (Polypedilum nubifer), et celle des gènes d'ARNr 16S variait de 83,76% (Smittia aterrima) à 85,67% (Polypedilum nubifer). Les gènes d'ARNr 12S présentaient un biais AT négatif chez Dicrotendipes sp., Limnophyes sp., Polypedilum nubifer et Tanytarsus formosanus et un biais AT positif chez les autres espèces. Les gènes de l'ARNr 16S ont montré un AT-skew positif chez Einfeldia sp., Nilodorum tainanus et Tanytarsus formosanus et un AT-skew négatif chez les autres espèces. Les gènes d'ARNr 12S présentaient un biais GC positif dans les 12 mitogenomes. Les gènes d'ARNr 16S ont montré un biais GC négatif chez Tanytarsus formosanus et un biais GC positif dans les autres mitogénomes (tableau 1, figure 2).

La région de contrôle est riche en bases A et T. Il contient les éléments d'initiation et de régulation de la transcription et de la réplication de l'ADN mitochondrial et constitue la plus grande région non codante du génome mitochondrial4. La famille des Chironomidae est un groupe très diversifié d'insectes aquatiques qui possèdent des régions de contrôle complexes dans leur ADN mitochondrial. Ces régions de contrôle comprennent divers éléments régulateurs, y compris des blocs de séquence conservés, des régions promotrices, des structures tige-boucle, des sites de polyadénylation et d'autres composants régulateurs essentiels. Cet arrangement complexe d'éléments régulateurs offre de nouvelles perspectives sur la régulation efficace de la fonction mitochondriale, y compris la transcription et la réplication, qui sont nécessaires au maintien de la physiologie mitochondriale chez les Chironomidae et d'autres organismes. Dans la présente étude, la longueur de la région de contrôle variait considérablement entre les espèces, allant de 69 pb (Chironomus kiiensis) à 682 pb (Dicrotendipes pelochloris), et elle était située entre rrnS et trnI. Sa taille peut avoir un impact sur l'efficacité de la réplication et, dans certains cas, des régions de contrôle plus petites peuvent améliorer l'efficacité de la réplication en réduisant le temps nécessaire à la machinerie de réplication pour dérouler l'ADN et initier la réplication. Les analyses de la région de contrôle ont montré que les proportions de A, T, G et C étaient de 36,76 à 48,80 %, 47,79 à 60,29 %, 0,48 à 2,63 % et 0 à 2,67 %, respectivement. La région de contrôle a montré un AT-skew positif chez Nilodorum tainanus, Polypedilum nubifer et Tanytarsus formosanus et un AT-skew négatif chez les autres espèces. La région de contrôle présentait un biais GC négatif chez Dicrotendipes sp., Glyptotendipes tokunagai, Limnophyes sp., Nilodorum tainanus, Smittia aterrima et Tanytarsus formosanus et un biais GC positif chez les autres espèces (tableau 1, figure 2).

Les mitogénomes contiennent plusieurs types d'informations valides appropriées pour les analyses phylogénétiques et évolutives, telles que la séquence d'acides aminés, la structure secondaire de l'ARN et l'ordre d'arrangement des gènes50,51,52. Dans la présente étude, des analyses phylogénétiques basées sur l'ensemble de données de PCG et d'ARNr utilisant des méthodes ML et BI ont montré des relations phylogénétiques similaires de six sous-familles au sein des Chironomidae en termes de topologie. Les arbres phylogénétiques (Fig. 8) ont montré des sous-familles distinctes et une monophylie confirmée, à l'exception des Orthocladiinae et Prodiamesinae. Ce résultat confirme fortement que le Propsilocerus monophylétique d'Orthocladiinae est un taxon frère de Monodiamesa + Prodiamesa de Prodiamesinae, ce qui est cohérent avec les résultats précédents13,20. Selon Cranston et al. 13, Propsilocerus appartient probablement aux Prodiamesinae plutôt qu'aux Orthocladiinae ; cependant, Lin et al.20 considéraient les Prodiamesinae comme un sous-groupe des Orthocladiinae. Sur la base de nos phylogénies mitogénomes, il serait approprié de transférer Propsilocerus en tant que sous-groupe de Prodiamesinae pour rendre les Orthocladiinae monophylétiques. De plus, nous avons comparé les caractères morphologiques entre Propsilocerus et les espèces de Prodiamesinae sur la base d'études antérieures53,54 et identifié un certain nombre de synapomorphies : espèces moyennes à grandes, couleur généralement brune à noire, abdomen généralement avec des soies dans des taches plus claires ; acrostichals généralement absents, lorsqu'ils sont longs et commençant près de la projection scutale ; R4+5 se terminant en aval de la fin de M3+4 ; tibia postérieur avec éperon externe plus long que la moitié de la longueur de l'éperon interne ; volselles inférieures généralement remarquablement longues et larges, issues de la marge interne près de la base et s'étendant vers l'arrière approximativement jusqu'au niveau du gonostyle. En combinant l'analyse des mitogenomes et des preuves morphologiques, Propsilocerus devrait être transféré des Orthocladiinae aux Prodiamesinae, comme proposé par Cranston et al.13.

Analyse phylogénétique des Chironomidae et des espèces apparentées basée sur l'ensemble de données des PCG + ARNr. Les nombres sur les branches représentent les valeurs bootstrap (> 70%) et tandis que ceux sous la branche représentent les probabilités a posteriori (> 90%). Anopheles quadrimaculatus NC000875, Wyeomyia confusa MK575492, Simulium variegatum NC033348, Simulium maculatum NC040120, Forcipomyia sp. MK000395 et Culicoides arakawae NC009809 ont été utilisés comme groupes externes.

À la base de Chironomide, les sous-familles Podonominae et Tanypodinae sont des taxons ancestraux et ont été soutenues (BS = 100, PP = 1) en tant que groupes frères des taxons restants. Diamesinae (BS = 100, PP = 1) était un clade sœur de Prodiamesinae + (Orthocladiinae + Chironominae). Prodiamesinae (BS = 100, PP = 1) était un groupe frère d'Orthocladiinae + Chironominae. Dans la présente étude, les données mitogénomiques utilisées pour explorer les relations phylogénétiques de six sous-familles au sein des Chironomidae ont généralement montré des tendances cohérentes avec la systématique traditionnelle basée sur la morphologie10. Par conséquent, nous confirmons que les données mitogénomiques sont essentielles pour les reconstructions phylogénétiques au niveau de la sous-famille chez les Chironomidae.

Dans les PCG de 12 mitogenomes, la teneur en A + T de la troisième position de codon était nettement plus élevée que celles des première et deuxième positions, comme dans les mitogenomes publiés d'autres Chironomidae. Pour l'ensemble des mitogénomes, les valeurs AT-skew étaient positives, tandis que les valeurs GC-skew étaient négatives chez toutes les espèces, ce qui est conforme au fait que les génomes mitochondriaux de la plupart des insectes contenaient plus de A que de T, tandis que la teneur en G était inférieure à celle de C. Les SSR comprenaient principalement des répétitions mono-, di- et trinucléotidiques, avec une proportion élevée de bases A ou T. En termes d'utilisation des codons dans cette étude, la fréquence relative de l'utilisation des codons synonymes a montré que les codons se terminant par A/U étaient plus fréquents que ceux se terminant par G/C, ce qui était cohérent avec les caractéristiques AT élevées des génomes mitochondriaux d'insectes.

Dans l'analyse du taux d'évolution mitochondriale de l'étude actuelle, le rapport Ka/Ks de tous les gènes (sauf nad5) était < 1, indiquant principalement la sélection de purification des PCG. Le nad5 était le plus grand parmi les 13 PCG, mais il est rarement utilisé dans la phylogénie des Chironomidae, probablement en raison de son rythme d'évolution rapide. Le gène coxI était le deuxième plus long et sa valeur Ka/Ks était la plus faible ; par conséquent, il fournit les signaux phylogénétiques et évolutifs efficaces les plus forts et les plus conservés parmi tous les gènes, et il est fréquemment utilisé comme marqueur de code-barres clé pour identifier les espèces et déterminer les différences inter-espèces. En général, différentes valeurs de Ka/Ks reflétaient que les gènes étaient soumis à différents degrés de sélection de purification.

Selon les résultats phylogénétiques, les branches de base des Chironomidae comprenaient les sous-familles Podonominae et Tanypodinae. Lorsque Propsilocerus est transféré dans la sous-famille des Prodiamesinae, les six sous-familles sont monophylétiques. La relation phylogénétique des six sous-familles est donc (Podonominae + Tanypodinae) + (Diamesinae + (Prodiamesinae + (Orthocladiinae + Chironominae))). L'obtention de plus de données sur le génome mitochondrial des Chironomidae apportera un soutien important à la recherche sur la relation phylogénétique des Chironomidae.

Les informations suivantes ont été fournies concernant la disponibilité des données : Les dix génomes mitochondriaux nouvellement séquencés sont disponibles au NCBI SRA (BioProject ID : PRJNA899133, PRJNA899132, PRJNA899129, PRJNA899131, PRJNA899130, PRJNA899128, PRJNA898980, PRJNA898895, PRJNA89 8097, PRJNA752912), et les séquences assemblées sont disponibles sur GenBank (ON838252, ON838253, ON838254, ON838255, ON838256, ON838257, ON943041, MZ747094, MZ747093, MZ747091).

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Cette étude a été soutenue par la National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant No. 32070483), Natural Science Foundation of Hubei Province (Grant No. 2020CFB757), Scientific Research Starting Foundation for Ph.D. de l'Université normale de Huanggang (subvention n° 2020010), programme de formation à l'innovation et à l'entrepreneuriat pour les étudiants universitaires de la province du Hubei (subvention n° S202010514053), programme national d'enquête sur les ressources fondamentales en sciences et technologies de Chine (subvention n° 2019FY101800) et projet d'équipe de l'université normale de Huanggang (subvention n° 4022019006).

Hubei Key Laboratory of Economic Forest Germplasm Improvement and Resources Comprehensive Utilization, Hubei Collaborative Innovation Center for the Characteristic Resources Exploitation of Dabie Mountains, Hubei Zhongke Research Institute of Industrial Technology, College of Biology and Agricultural Resources, Huanggang Normal University, Huanggang City, 438000, Hubei, République populaire de Chine

Xiangliang Fang, Bin Mao, Yunli Xiao, Mi Shen et Yue Fu

Collège des sciences de la vie, Université de Nankai, Tianjin, 300071, Chine

Xinhua Wang

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Conceptualisation, X.-LF et YF ; logiciel, X.-LF, BM ; analyse formelle, BM, MS; conservation des données, X.-LF, YF, Y.-LX, BM ; rédaction — préparation du projet original, X.-LF ; rédaction—revue et édition, X.-HW, YF; visualisation, BM, YF ; administration de projet, YF ; financement acquisition, YF Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance avec Yue Fu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Fang, X., Wang, X., Mao, B. et al. Analyses comparatives du mitogénome de douze mouches non piqueuses et donnent un aperçu de la phylogénie des Chironomidae (Diptera: Culicomorpha). Sci Rep 13, 9200 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36227-9

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Reçu : 03 mars 2023

Accepté : 31 mai 2023

Publié: 06 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36227-9

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