Please wait a minute...
Frontiers in Biology

ISSN 1674-7984

ISSN 1674-7992(Online)

CN 11-5892/Q

Front. Biol.    2015, Vol. 10 Issue (5) : 458-472    https://doi.org/10.1007/s11515-015-1371-1
RESEARCH ARTICLE
The complete mitogenome of Lamproptera curia (Lepidoptera: Papilionidae) and phylogenetic analyses of Lepidoptera
Xin-Min Qin(),Qing-Xin Guan,Hui-Min Li,Yu Zhang,Yu-Ji Liu,Dan-Ni Guo
Guangxi Key Laboratory of Rare and Endangered Animal Ecology, College of Life Science, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China
 Download: PDF(1449 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

The complete mitochondrial genome sequence of Lamproptera curia was determined in the present study. Our findings showed that the mtDNA of L. curia had a typical organization of insect mitochrondrial DNA − being 15277 base pairs in length, it contained 13 protein-coding genes (PCGs), 2 rRNA genes, 22 tRNA genes, and a control region(CR). The newly determined sequence was used for phylogenetic analyses, together with those of 45 species of Lepidoptera published elsewhere, including sequences of three species of Diptera as outgroups. The phylogenetic trees were constructed using the concatenated amino acid and nucleotide sequences of the 13 protein-coding genes (PCGs) based on the maximum likelihood (ML) and Bayesian inference (BI) methods. Both BI and ML trees revealed a similar topology structure: (((((Bombycoidea+ Geometroidea) + Noctuoide) + Pyraloidea) + (Papilionoidea+ Hesperioidea)) + Tortricoidea). Furthermore, the phylogenetic analyses demonstrated that each of the 16 families belonged to a monophyletic group respectively. The results of molecular phylogeny from the present study were congruent with traditional classification based on morphology but failed to demonstrate the monophyly of Hesperiidae.

Keywords Lamproptera curia      phylogeny      mitochondrial genome     
Corresponding Author(s): Xin-Min Qin   
Just Accepted Date: 31 August 2015   Online First Date: 09 October 2015    Issue Date: 30 October 2015
 Cite this article:   
Xin-Min Qin,Qing-Xin Guan,Hui-Min Li, et al. The complete mitogenome of Lamproptera curia (Lepidoptera: Papilionidae) and phylogenetic analyses of Lepidoptera[J]. Front. Biol., 2015, 10(5): 458-472.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fib/EN/10.1007/s11515-015-1371-1
https://academic.hep.com.cn/fib/EN/Y2015/V10/I5/458
Primer 1 Sequence (5′→3′) Primer 1 Sequence (5′→3′) Fragment
1A GCTAAATTAAGCTTTTGGGTTCA 1B CCCGGTAAAATTAAAATATAAACTTC ND2-COI COI
2A GGTCAACAAATCATAAAGATATTG 2B TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAAT
3A GGATCACCTGATATAGCATTCCC 3B GAGACCATTACTTGCTTTCAGTCATC COI-COII
4A GAAATTTGTGGAGCTAATCATAG 4B TCAACAAAATGTCAATATCA COII-COIII
5A GGTTTACGATGAGGAATAATTT 5B TTACAATGAAAATGTAATG COIII-ND3
6A CATTACATTTTCATTGTAA 6B TTCTGCTTTGGTTCATTCT ND3-ND5
7A GGTTTACGATGAGGAATAATTT 7B TTAGGTTGAGATGGGTTAGG COIII-ND5
8A GCTAATTATGAATTTGATT 8B GATACTCTTCATCATATA ND5
9A ATAATAACTCCAGCACAT 9B GCTTATTCTTCAGTTGCTCA ND5-ND4
10A GAAGGAGGAGCTGCTATATTAG 10B CCTCAAAATGATATTTGACCTC ND4- Cytb
11A TACGTTTTACCATGAGGTCAAATATC 11B ACTTCTTTTCTTATGTTTTCAAAAC Cytb
12A CCGACCTGTTGAAGATCCTTAT 12B TCAGATCAAGATGCCGATT Cytb-12S
13A AGGGTATCTAATCCTAGTTT 13B TGGGGTATGAACCCAAAAGC 12S-ND2
Tab.1  List of primers used to amplify and sequence the mitogenome of L. curius
Superfamily/Family Species GenBank accession No.
Papilionoidea
Nymphalidae Kallima inachus JN857943
Acraea issoria NC_013604
Apatura ilia NC_016062
Apatura metis NC_015537
Argynnis hyperbius NC_015988
Calinaga davidis NC_015480
Hipparchia autonoe NC_014587
Sasakia charonda NC_014224
Libythea celtis NC_016724
Euploea mulciber NC_016720
Fabriciana nerippe NC_016419
Papilionidae Lamproptera curius KJ141168
Papilio maraho NC_014055
Parnassius bremeri NC_014053
Teinopalpus aureus NC_014398
Troides aeacus EU625344
Lycaenidae Coreana raphaelis NC_007976
Protantigius superans NC_016016
Spindasis takanonis NC_016018
Pieridae Pieris melete NC_010568
Pieris rapae NC_015895
Hesperioidea
Hesperiidae Ctenoptilum vasava NC_016704
Bombycoidea
Saturniidae Antheraea pernyi NC_004622
Antheraea yamamai NC_012739
Eriogyna pyretorum NC_012727
Saturnia boisduvalii NC_010613
Samia cynthia ricini JN215366
Bombycidae Bombyx mandarina NC_003395
Bombyx mori NC_002355
Sphingidae Manduca sexta NC_010266
Noctuoide
Noctuidae Helicoverpa armigera NC_014668
Sesamia inferens NC_015835
Notodontidae Phalera flavescens NC_016067
Ochrogaster lunifer NC_011128
Arctiidae Hyphantria cunea NC_014058
Lymantriidae Lymantria dispar NC_012893
Pyraloidea
Crambidae Chilo suppressalis HQ860290
Cnaphalocrocis medinalis NC_015985
Diatraea saccharalis NC_013274
Ostrinia furnacalis NC_003368
Ostrinia nubilalis NC_003367
Pyralidae Corcyra cephalonica NC_016866
Tortricoidea
Tortricidae Adoxophyes honmai NC_008141
Grapholita molesta NC_014806
Spilonota lechriaspis NC_014294
Geometroidea
Geometridae Phthonandria atrilineata NC_010522
Culicoidea
Culicidae Anopheles gambiae NC_002084
Tephritoidea
Tephritidae Bactrocera oleae NC_005333
Ephydroidea
Drosophilidae Drosophila yakuba NC_001322
Tab.2  list of the complete mitogenome in the phylogenetic analyses
Fig.1  Circular map of the mitochondrial genome of Lamproptera curia. cox1−3: cytochrome oxidase subunit 1−3 genes; atp6, atp 8: ATP synthase subunits 6 and 8 genes; cob: cytochrome oxidase b gene; nad1−6 and nad4L:NADH dehydrogenase subunits 1−6 and 4L. tRNA genes are denoted as one-letter symbol according to the IUPAC-IUB single letter amino acid codes. Gene names that are not underlined indicate the direction of transcription clockwise and with underlines of counter clockwise.
Fig.2  Predicted secondary structures for the 22 tRNA genes of L. curius.
Gene Direction Location Size (bp) Spacer(+) Overlap(−) Anti- codon Start codon Stop codon
tRNAMet F 1−69 69 +1 CAT
tRNAIle F 69−137 69 −3 GAT
tRNAGln R 141−209 69 −39 TTG
ND2 F 249−1262 1014 +2 ATT TAA
tRNATrp F 1261−1325 65 +8 TCA
tRNACys R 1318−1383 66 GCA
tRNATyr R 1384−1450 67 −2 GTA
COI F 1453−2983 1531 CGA T--
tRNALeu(UUR) F 2984−3050 67 TAA
COII F 3051−3726 676 ATG T--
tRNALys F 3727−3795 69 +1 CTT
tRNAAsp F 3795−3859 65 GTC
ATPase8 F 3860−4021 162 +7 ATT TAA
ATPase6 F 4015−4692 678 +1 ATG TAA
COIII F 4692−5483 792 −3 ATG TAA
tRNAGly F 5487−5552 66 +3 TCC
ND3 F 5550−5906 357 ATA TAG
tRNAAla F 5907−5970 64 +1 TGC
tRNAArg F 5970−6032 63 −1 TCG
tRNAAsn F 6034−6099 66 −1 GTT
tRNASer(AGY) F 6101−6160 60 TCT
tRNAGlu F 6161−6227 67 +2 TTC
tRNAPhe R 6226−6291 66 +6 GAA
ND5 R 6286−8008 1723 −18 ATT T--
tRNAHis R 8027−8093 67 GTG
ND4 R 8094−9432 1339 ATG T--
ND4L R 9433−9723 291 −2 ATG TAA
tRNAThr F 9726−9789 64 TGT
tRNAPro R 9790−9854 65 −2 TGG
ND6 F 9857−10387 531 +1 ATT TAA
Cytb F 10387−11535 1149 +2 ATG TAA
tRNASer(UCN) F 11534−11598 65 −16 TGA
ND1 R 11615−12553 939 −1 ATG TAG
tRNALeu(CUN) R 12555−12622 68 TAG
16SrRNA R 12623−13956 1334
tRNAVal R 13957−14022 66 TAC
12SrRNA R 14023−14807 785
A+T-rich region 14808−15277 469
Tab.3  Summary of the mitogenome of L. curius
Fig.3  ML trees based on the nucleotide sequences of the concatenated 13 protein coding genes.
Fig.4  ML trees based on the amino acid sequences of the concatenated 13 protein coding genes.
Fig.5  BI trees based on the nucleotide sequences of the concatenated 13 protein coding genes.
Fig.6  BI trees based on the amino acid sequences of the concatenated 13 protein coding genes.
1 Abascal  F, Posada  D, Zardoya  R (2007). MtArt: a new model of amino acid replacement for arthropoda. Mol Biol Evol, 1: 1–5
2 Ackery  P R, De Jong  R, Vane-Wright  R I (1999). The butterflies: Hedyloidea, Hesperoidea, and Papilionoidea. In: Kristensen NP (Ed.), The butterflies: Hedyloidea, Hesperoidea, and Pilionoidea. De Gruyter, Berlin, 263–300
3 Altschul  S F, Gish  W, Miller  W, Myers  E W, Lipman  D J (1990). Basic local alignment search tool. J Mol Biol, 3(3): 403–410
https://doi.org/10.1016/S0022-2836(05)80360-2
4 Anderson  S, Bankier  A T, Barrell  B G, de Bruijn  M H, Coulson  A R, Drouin  J, Eperon  I C, Nierlich  D P, Roe  B A, Sanger  F, Schreier  P H, Smith  A J, Staden  R, Young  I G (1981). Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature, 290(5806): 457–465
https://doi.org/10.1038/290457a0
5 Bae  J S, Kim  I, Sohn  H D, Jin  B R (2004). The mitochondrial genome of the firefly, Pyrocoelia rufa: complete DNA sequence, genome organization, and phylogenetic analysis with other insects. Mol Phylogenet Evol, 3(3): 978–985
https://doi.org/10.1016/j.ympev.2004.03.009
6 Boore  J L (1999). Animal mitochondrial genomes. Nucleic Acids Res, 8(8): 1767–1780
https://doi.org/10.1093/nar/27.8.1767
7 Clary  D O, Wolstenholme  D R (1985). The mitochondrial DNA molecule of Drosophila yakuba: nucleotide sequence, gene organization and genetic code. J Mol Evol, 22(3): 252–271
https://doi.org/10.1007/BF02099755
8 Clayton  D A (1992). Transcription and replication of animal mitochondrial DNA. Int Rev Cytol, 141: 217–232
https://doi.org/10.1016/S0074-7696(08)62067-7
9 Feng  X, Liu  D F, Wang  N X, Zhu  C D, Jiang  G F (2010). The mitochondrial genome of the butterfly Papilio xuthus (Lepidoptera: Papilionidae) and related phylogenetic analyses. Mol Biol Rep, 8(8): 3877–3888
https://doi.org/10.1007/s11033-010-0044-z
10 Flook  P K, Rowell  C H F, Grellissen  G (1995). The sequence organisation, and evolution of the Louocsta migratoria mitochondrial genome. J Mol Evol, 6: 928–941
11 Guindon  S, Lethiec  F, Duroux  P, Gascuel  O (2005). PHYML Online-a web server for fast maximum likelihood-based phylogenetic inference. Nucleic Acids Res, 33(Web Server): W557–W559
https://doi.org/10.1093/nar/gki352
12 Harvey  D J (1991). Higher classification of the Nymphalidae [A], Appendix B. In: Nijhout  HF. Higher classification of the Nymphalidae. Washington DC: Smithsonian Institution Press, pp 200–273
13 Hong  M Y, Lee  E M, Jo  Y H, Park  H C, Kim  S R, Hwang  J S, Jin  B R, Kang  P D, Kim  K G, Han  Y S, Kim  I (2008). Complete nucleotide sequence and organization of the mitogenome of the silk moth Caligula boisduvalii (Lepidoptera: Saturniidae) and comparison with other lepidopteran insects. Gene, 413(1−2): 49–57
https://doi.org/10.1016/j.gene.2008.01.019
14 Horak  M (1999). The Tortricoidea. In: Kristensen  N P. Lepidoptera: Motha and Butterflies. 1. Evolution,Systematics, and Biogegraphy. Handbook of Zoology Vo1.IV, Part 35: 199–215
15 Hu  J, Zhang  D X, Hao  J S, Huang  D Y, Cameron  S, Zhu  C D (2010). The complete mitochondrial genome of the yellow coaster, Acraea issoria (Lepidoptera: Nymphalidae: Heliconiinae: Acraeini):sequence, gene organization and a unique tRNA translocation event. Mol Biol Rep, 7(7): 3431–3438
https://doi.org/10.1007/s11033-009-9934-3
16 Jiang  S T, Hong  G Y, Yu  M, Li  N, Yang  Y, Liu  Y Q, Wei  Z J (2009). Characterization of the complete mitochondrial genome of the giant silkworm moth, Eriogyna pyretorum (Lepidoptera:Saturniidae). Int J Biol Sci, 4: 351–365
https://doi.org/10.7150/ijbs.5.351
17 Kawahara  A Y, Mignault  A A, Regier  J C, Kitching  I J, Mitter  C (2009). Phylogeny and Biogeography of Hawk moths (Lepidoptera: Sphingidae): Evidence from Five Nuclear Genes. PLoS ONE, 5: 1–11
18 Kim  M I, Beak  J Y, Kim  M J (2009). Complete nucleotide sequence and organization of the mitogenome of the red-spotted Apollo butterfly, Parnassius bremeri (Lepidoptera: Papilionidae) and comparison with other lepidopteran insects. Mol Cell, 4(4): 347–363
https://doi.org/10.1007/s10059-009-0129-5
19 Kim  M J, Kang  A R, Jeong  H C, Kim  K G, Kim  I (2011). Reconstructing intraordinal relationships in Lepidoptera using mitochondrial genome data with the description of two newly sequenced lycaenids, Spindasis takanonis and Protantigius superans (Lepidoptera: Lycaenidae). Mol Phy Evol, 2(2): 436–445
https://doi.org/10.1016/j.ympev.2011.07.013
20 Kim  M J, Wan  X L, Kim  K G, Hwang  J S, Kim  I (2010). Complete nucleotide sequence and organization of the mitogenome of endangered Eumenis autonoe (Lepidoptera: Nymphalidae). Afr J Biotechnol, 5: 735–754
21 Kristensen  N P (1976). Remarks on the family-level phylogeny of butterflies (Insecta Lepidoptera, Rhopalocera). Zeit Zool Syst Evol Forsch, 14(1): 25–33
https://doi.org/10.1111/j.1439-0469.1976.tb00515.x
22 Kristensen  N P (1999). 11 Evolution, Systematics, and Biogeography, Vol IV. In: Kristensen  NP. Lepidoptera: Moths and Butterflies. Berlin and New York: DeGruyter, pp: 491.
23 Kristensen  N P, Skalski  A W (1999). Phylogeny and palaeontology. In: Kristensen  N P (Ed.), Handbuch der Zoologie, vol. IV, Arthropoda: Insecta, Part 35, Lepidoptera, Moths and Butterflies, vol. 1: Evolution, Systematics, and Biogeography. Walter de Gruyter, Berlin & New York, pp. 7–25
24 Lavrov  D V, Brown  W M, Boore  J L (2000). A novel type of RNA editing occurs in the mitochondrial tRNAs of the centipede Lithobius forficatus. Proc Natl Acad Sci USA, 25(25): 13738–13742
https://doi.org/10.1073/pnas.250402997
25 Lee  E S, Shin  K S, Kim  M S, Park  H, Cho  S, Kim  C B (2006). The mitochondrial genome of the smaller tea tortrix Adoxophyes honmai (Lepidoptera: Tortricidse). Gene, 373: 52–57
https://doi.org/10.1016/j.gene.2006.01.003
26 Liao  F, Wang  L, Wu  S, Li  Y P, Zhao  L, Huang  G M, Niu  C J, Liu  Y Q, Li  M G (2010). The mitochondrial genome of the fall webworm, Hyphantria cunea (Lepidoptera: Arctiidae). Int J Biol Sci, 2: 172–186
https://doi.org/10.7150/ijbs.6.172
27 Liu  Y, Li  Y, Pan  M, Dai  F, Zhu  X, Lu  C, Xiang  Z (2008). The complete mitochondrial genome of the Chinese oak silkmoth, Antheraea pernyi (Lepidoptera: Saturniidae). Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai), 8(8): 693–703
https://doi.org/10.1093/abbs/40.8.693
28 Lowe  T M, Eddy  S R (1997). tRNAscan-SE: a program for improved detection of transfer RNA genes in genomic sequence. Nucleic Acids Res, 5(5): 955–964
https://doi.org/10.1093/nar/25.5.0955
29 Minet  J (1991). Tentative Reconstruction of the ditrysian phylogeny (Lepidiptera, Gloassata). Entomol Scand, 1(1): 69–95
https://doi.org/10.1163/187631291X00327
30 Munroe  E, Solis  M A (1999). The Pyraloidea. In: Kristensen  NP. Lepidoptera: Moths and Butterflies. I. Evolution, Systematics, and Biogeography. Handbook of Zoology, 35: 233–256(Vol IV. In: Kristensen  NP. Lepidoptera: Moths and Butterflies. Berlin and New York: DeGruyter, pp: 233–256
31 Mutanen  M, Wahlerg  N, Kaila  L (2010). Comprehensive gene and taxon coverage elucidates radiation patterns in moths and butterflies. Proc Biol Sci, 277(1695): 2839–2848
https://doi.org/10.1098/rspb.2010.0392
32 Nielsen  E S (1989) Phylogeny of major lepidopteran groups. In: (eds) The Hierarchy of Life. Amsterdam, Elsevier. pp. 281–294
33 Ojala  D, Montoya  J, Attardi  G (1981). tRNA punctuation model of RNA proeessing in Human mitochondria. Nature, 290(5806): 470–474
https://doi.org/10.1038/290470a0
34 Razowski  J (1976). Phylogeny and system of Tortricidae (Lepidoptera). Acta zool Cracov, 5: 73–120
35 Regier  J C, Cook  C, Mitter  C, Hussey  A (2008). A phylogenetic study of the ‘bombycoid complex’ (Lepidoptera) using five protein-coding nuclear genes, with comments on the problem of macrolepidopteran phylogeny. Syst Entomol, 33(1): 175–189
https://doi.org/10.1111/j.1365-3113.2007.00409.x
36 Regier  J C, Zwick  A, Cummings  M P, Kawahara  A, Cho  S, Weller  S, Roe  A, Baixeras  J, Brown  J W, Parr  C, Davis  D R, Epstein  M, Hallwachs  W, Hausmann  A, Janzen  D H, Kitching  I J, Solis  M A, Yen  S H, Bazinet  A L, Mitter  C (2009). Toward reconstructing the evolution of advanced moths and butterflies (Lepidoptera: Ditrysia): an initial molecular study. BMC Evol Biol, 9(1): 280
https://doi.org/10.1186/1471-2148-9-280
37 Ronquist  F, Huelsenbeck  J P (2003). MRBAYES 3: Bayesian phylogenetic inference under mixed models. Bioinformatics, 12(12): 1572–1574
https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btg180
38 Simon  C, Frati  F, Bekenbach  A (1994). Evolution, weighting, and phylogenetic utility of mitochondrialgene sequences and a compilation of conserved polymerase chain reaction primers. Ann Entomol Soc Am, 6(6): 651–701
https://doi.org/10.1093/aesa/87.6.651
39 Singh  V K, Mangalam  A K, Dwivedi  S, Naik  S (1998). Primer premier:Program for design of degenerate primers from a protein sequence. Biotechniques, 2: 318–319
40 Smart  P (1989). The illustrated encyclopedia of the butterfly world (New York, USA: Chartwell Books 
41 Thao  M L, Baumann  L, Baumann  P(2004). Organization of the mitochondrial genomes of whiteflies, aphids, and psyllids (Hemiptera, Sternorrhyncha). BMC Evol Biol, 4: 25–37
42 Wahlberg  N, Braby  M F, Brower  A V Z, de Jong  R, Lee  M M, Nylin  S, Pierce  N E, Sperling  F A H, Vila  R, Warren  A D, Zakharov  E (2005). Synergistic effects of combining morphological and molecular data in resolving the phylogeny of butterflies and skippers. Proc Biol Sci, 272(1572): 1577–1586
https://doi.org/10.1098/rspb.2005.3124
43 Weller  S J, Pashely  D P (1995). In search of butterfly origins. Mol Phylogenet Evol, 3(3): 235–246
https://doi.org/10.1006/mpev.1995.1022
44 Wolstenholme  D R (1992). Animal mitochondrial DNA: structure and evolution. Int Rev Cytol, 141: 173–216
https://doi.org/10.1016/S0074-7696(08)62066-5
45 Xia  X, Xie  Z (2001). DAMBE: Data analysis in molecular biology and evolution. J Hered, 4(4): 371–373
https://doi.org/10.1093/jhered/92.4.371
46 Yang  Z, Rannala  B (1997). Bayesian phylogenetic inference using DNA sequences: A Markov chain Monte Carlo method. Mol Biol Evol, 7(7): 717–724
https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.molbev.a025811
47 Yin  W Y, Song  D X, Yang  X K (2008). Study on phylogeny of the Hexapoda (Insect). Beijing, Science Press, pp:193–194
48 Zhou  Z J, Huang  Y, Shi  F M (2007). The mitochondrial genome of the Ruspolia dubia (Orthoptera: Conocephalidae): a short A+T-rich region with 70 bp in length Genome. Genome, 50(9): 855–866
https://doi.org/10.1139/G07-057
[1] Xin-Min Qin,Xiao-Wen Yang,Li-Xia Hou,Hui-Min Li. Complete mitochondrial genome of Ampittia dioscorides (Lepidoptera: Hesperiidae) and its phylogenetic analysis[J]. Front. Biol., 2017, 12(1): 71-81.
[2] P. CHELLAPANDI. Molecular evolution of methanogens based on their metabolic facets[J]. Front Biol, 2011, 6(6): 490-503.
[3] XU Xiaohong, WU Min, ZHANG Huibin, LIU Zhihu. Genetic analysis of the gene in halophilic archaea isolated from Xinjiang region, China[J]. Front. Biol., 2008, 3(4): 392-396.
[4] ZHU Min, GAI Zhikun. Phylogenetic relationships of Galeaspids (Agnatha)[J]. Front. Biol., 2007, 2(2): 151-169.
[5] MU Linchun, WANG Li, YAO Li, HAO Bingqing, LUO Qin. Application of pet G-trn P sequence to systematic study of Chinese Cupressus species[J]. Front. Biol., 2006, 1(4): 349-352.
[6] Xu Xiaohong, Wu Min, Cao Yi, Wu Yuehong, Zhang Ting. Isolation and Phylogenetic Analysis of Halophilic Archaeon AJ6[J]. Front. Biol., 2006, 1(1): 29-34.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed