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Mitochondrial genomic comparisons of the subterranean termites from the Genus Reticulitermes (Insecta: Isoptera: Rhinotermitidae)

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Abstract:

Termites of the genus Reticulitermes are some of the most significant pests of structural timber and tree farming in the northern hemisphere, causing losses in the billions of dollars annually because of direct damage and termite control costs. This group has been frequently targeted for population genetic, phylogenetic, and species limit studies, most of which use mitochondrial (mt) genes; however, only a small fraction of the genome has been sequenced. The entire mt genome was sequenced for the eastern North American members of Reticulitermes: R. flavipes, R. santonensis, R. virginicus, and R. hageni. The mt genome has the same gene content and organization as that found in most insect species; however, the nucleotide composition and skew are highly biased (AT% low, strong A- and C-skew). Both the protein-coding and transfer RNA genes show high absolute levels of nucleotide substitution, suggesting that the high rates of mutation within Reticulitermes inferred from analyses of single mt genes are a general characteristic of the entire mt genome. The AT-rich or control region has a remarkable structure not previously observed in insect mt genomes. The majority of the control region is made up of 2 sets of repeat units, typically with 2 full and 1 partial copies of both the A (or small; 186 bp) and B (or large; 552 bp) repeats. The partial repeat units overlap by 36 bp. The size, location, and degree of overlap for the partial repeat units correspond to highly conserved stem/loop structures within the repeat units, suggesting that these structures are involved in the replication-mediated processes that govern repeat-unit evolution within mt genomes. Finally, molecular variation within the mt gene regions was compared with previous regions used in molecular diagnostics or phylogenetics of Reticulitermes. High numbers of single nucleotide polymorphisms were found in each of the mt genes, and some of the highest variability was found in gene regions that have not previously been investigated in this group. The whole mt genome sequence can thus be used to predict useful regions for future investigation.

Les termites du genre Reticulitermes comptent parmi les ennemis les plus importants des structures en bois et de la sylviculture dans l’hémisphère nord et ils entraînent des pertes de plusieurs millions de dollars annuellement en dommages et en mesures de lutte. Ce groupe a souvent fait l’objet d’études de génétique des populations, de phylogénie et visant à définir les limites de l’espèce, la plupart de celles-ci faisant appel à des gènes mitochondriaus (mt), mais seule une petite fraction du génome est séquencée. Le génome mitochondrial (mt) complet a été séquencé pour les Reticulitermes du nord-est de l’Amérique (R. flavipes, R. santonensis, R. virginicus et R. hageni). Le génome mt présente le même contenu génique et la même organisation que chez la plupart des espèces d’insectes, mais la composition nucléotidique est très biaisée (faible AT%, fort biais A et C). Tant les gènes codant pour des protéines que ceux codant pour des ARNt montrent des niveaux absolus élevés de substitutions nucléotidiques ce qui suggère que les fréquences de mutation élevées, déduites sur la base de l’analyse de gènes mt individuels, sont généralisées chez le génome mt en entier. La région de contrôle riche en AT présente une structure remarquable qui n’avait pas encore été observée chez les génomes mt d’insectes. La plus grande partie de la région de contrôle est composée de deux jeux d’unités répétées, typiquement formées de deux copies entières et d’une copie incomplète tant de la répétition A (courte, 186 pb) que de la répétition B (longue, 552 pb). Les unités répétées incomplètes se chevauchent sur 36 pb. La taille, la localisation et le chevauchement des unités incomplètes correspondent à des structures en épingle/boucle très conservées au sein des répétitions ce qui suggère que ces structures seraient impliquées dans les processus dépendant de la réplication, lesquels gouvernent l’évolution des répétitions au sein des génomes mt. Finalement, la variation moléculaire au sein des régions géniques mitochondriales a été comparée à celle de d’autres régions employées précédemment en diagnostic moléculaire ou lors d’études phylogénétiques chez les Reticulitermes. De grands nombres de polymorphismes mononucléotidiques ont été observés chez chacun des gènes mt et certains des niveaux les plus élevés de polymorphisme ont été vus au sein de régions géniques non encore étudiées au sein de ce groupe. Les génomes des génomes mt complets pourront servir à prédire les régions les plus utiles pour de futures études.

Document Type: Research Article

Publication date: 2007-02-01

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