2019年3月8日，国际进化生物学期刊Molecular Biology and Evolution在线发表了题为“Mitochondrial genomics reveals shared phylogeographic patterns and demographic history among three periodical cicada species groups”的研究论文（5-year IF=14.479），揭示了北美周期蝉的谱系地理结构及其长生命周期的形成和进化历史。昆虫学系博士生杜振勇为论文第一作者，李虎副教授为该文通讯作者，京都大学Teiji Sota教授为共同通讯作者；我校彩万志教授、康涅狄格大学Chris Simon教授、静冈大学Jin Yoshimura教授的团队合作参与了该项工作。

周期蝉Magicicada spp.分布于北美东部平原地区，若虫在地下的蛰伏期长达17年或13年，是著名的拥有长生命周期的半翅目昆虫，依据形态特征、生命周期、发生年份和分布区域划分为七个种（三种17年蝉和四种13年蝉），三个种组和15个繁殖群（brood）, 17年蝉与13年蝉分别占据美国北方和南方的特定区域。自17世纪中叶，包括达尔文在内的众多学者，对其长生命周期的进化以及物种形成机制的研究和讨论从未停止，而重建高度可信的系统发育关系和进化历史是解决这些问题的基础。该研究利用高通量测序获得的线粒体全基因组数据，开展了周期蝉的群体遗传进化研究，明确了周期蝉主要分支的进化关系，揭示了三个种组一致的谱系地理结构和种群进化历史：为适应更新世冰期气候的剧烈变动，迁移能力不强的周期蝉逐渐进化出17年的长生命周期，并在美国东部至少三个不同避难所应对寒冷气候；末次最大冰期过后，全球气候变暖，南部的群体逐渐转变为13年的生命周期，而东部、中部和西部群体由于密西西比河和阿巴拉契亚山脉的地理阻隔，在各自分布区内发生种群扩张，同时在气候波动的影响下，频繁地发生4年和1年的生命周期的暂时性转变，导致了区域间不同繁殖群的成虫爆发周期的多样性。本研究进一步明确了生命周期的可塑性对周期蝉物种形成和演化的重要意义。本研究还肯定了线粒体基因组在揭示近期分化物种的物种形成和进化历史上的优势。与核基因组相比，线粒体基因组具有更快的进化速率，且易于大量获取和分析。随着高通量测序成本的不断降低，线粒体基因组在群体遗传学研究将具有更广阔的应用前景。

周期蝉为何选择了17和13年的生命周期，不同学者对此持有不同观点，天敌的捕食，气候因素尤其是温度条件都具有重要的影响。本研究的参与者认为，周期蝉可能起源于北美现存的其他生命周期（如九年）的非周期性蝉，在冰期寒冷气候中由于有效积温不足而被迫延长发育周期，在这个过程中，偶数生命周期的蝉（如12/14/16/18年等）频繁的相遇，受到生态学上阿利效应的影响而产生激烈的种内竞争，同时不同生命周期蝉的杂交造成种群的退化。只有选择了17和13年质数生命周期的蝉在最少的相遇机会下相安无事，实现种群的存续。通过最新的研究我们了解，周期蝉的生命周期并非严格的一成不变，而是存在“可塑性”。但基于“捕食者饱食效应”，种群个体必须选择在同一时间大量出现，才能在天敌的捕食中存活下来，这样的机遇在其进化的历史过程中不会时时出现，因此现存的每一个繁殖群的产生，都是进化上的一次偶然事件，同时也经历了严苛的自然选择。

杜振勇是我院昆虫学系2018级博士研究生，导师是昆虫分类进化研究组彩万志教授，主要研究方向是半翅目重要昆虫群体遗传基因组学。2016年考取彩万志课题组硕士研究生，2018年转入博士阶段学习，近两年在SCI期刊Molecular Biology and Evolution，International Journal of Molecular Science，International Journal of Biological Macromolecules发表研究论文3篇，累计影响因子22.286。

原文链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msz051