海洋所在環(huán)境與生物交互作用對(duì)口蝦蛄適應(yīng)性分化格局的塑造方面獲新進(jìn)展
近日,國際環(huán)境科學(xué)TOP期刊Science of the Total Environment(IF =9.8)在線發(fā)表了題為“Rolling with the punches: Organism-environment interactions shape spatial pattern of adaptive differentiation in the widespread mantis shrimp Oratosquilla oratoria”的文章,報(bào)道了中國科學(xué)院海洋研究所沙忠利課題組在環(huán)境與生物的交互作用對(duì)口蝦蛄適應(yīng)性分化格局的塑造方面的最新研究成果。
現(xiàn)存海洋生物多樣性格局是環(huán)境與生物在不同時(shí)空尺度共同作用的結(jié)果。西北太平洋邊緣海的歷史環(huán)境變遷與當(dāng)前復(fù)雜洋流及高度異質(zhì)的空間環(huán)境必將對(duì)現(xiàn)存海洋生物多樣性格局產(chǎn)生影響。在古氣候變化及復(fù)雜洋流與環(huán)境等影響背景下,西北太平洋生物如何形成目前空間分布格局以及海洋生物種群如何響應(yīng),構(gòu)成了西北太平洋區(qū)域生物和海洋環(huán)境協(xié)同演化的重要科學(xué)問題。
本研究以西北太平洋廣布種口蝦蛄(Oratosquilla oratoria)為研究對(duì)象,利用簡(jiǎn)化基因組測(cè)序技術(shù)對(duì)采集自中國和日本沿岸口蝦蛄7個(gè)地理群體共計(jì)130個(gè)個(gè)體進(jìn)行了全基因組掃描。群體遺傳結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)口蝦蛄在分布范圍內(nèi)存在明顯的生態(tài)地理結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)以南北種群的差異為主;且這一南北差異主導(dǎo)的種群結(jié)構(gòu)均存在于中國和日本沿岸。此外,在日本海中部群體檢測(cè)到雜交個(gè)體,其親本分別來自于日本的南、北方,提示存在雜交漸滲。進(jìn)一步整合時(shí)、空尺度上環(huán)境數(shù)據(jù)與遺傳數(shù)據(jù),證實(shí)口蝦蛄在分布范圍內(nèi)存在適應(yīng)性分化格局,空間溫度選擇壓力是重要驅(qū)動(dòng)力。
在自然選擇加持下,種群等位基因頻率會(huì)向有利于提高適合度的方向穩(wěn)定變化,從而促進(jìn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。該研究鑒定到多個(gè)與溫度適應(yīng)關(guān)聯(lián)的基因和等位基因頻率變異,功能富集分析顯示這些基因參與了代謝過程、信號(hào)傳導(dǎo)、應(yīng)激等多個(gè)生物過程。研究人員重點(diǎn)關(guān)注了TRPA1基因,它是一種熱敏離子通道,與溫度感應(yīng)相關(guān),在低溫下被激活。繪制等位基因分布頻率圖發(fā)現(xiàn),在溫帶地區(qū)TRPA1主效等位基因頻率顯著增加,這表明定向選擇可能作用于該基因,導(dǎo)致主效等位基因在較冷的水域被固定,推測(cè)TRPA1等位基因頻率的變化可能有助于口蝦蛄對(duì)不同熱環(huán)境的適應(yīng)。
最后,基于中性數(shù)據(jù)集進(jìn)行了群體分化歷史分析,以追溯歷史環(huán)境變遷對(duì)口蝦蛄適應(yīng)性分化格局的影響。研究發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)冰期海平面下降導(dǎo)致的生境隔離可能驅(qū)動(dòng)了祖先適應(yīng)性等位基因的固定。然而,這種歷史多態(tài)性的長期持久性暗示了存在某種基因流的限制。西北太平洋復(fù)雜洋流以及生態(tài)位差異導(dǎo)致的環(huán)境過濾對(duì)遷移個(gè)體和/或雜交后代的選擇作用是在基因流背景下維持歷史分化的關(guān)鍵。物種分布模型(SDM)預(yù)測(cè)在未來氣候情景下日本沿岸的雜交區(qū)將進(jìn)一步擴(kuò)大,可能會(huì)促進(jìn)基因交流,打破雜交與選擇間的平衡,從而影響口蝦蛄生物地理格局。綜上所述,歷史上長期的生境隔離、當(dāng)前環(huán)境溫度空間異質(zhì)性(歧化選擇)、洋流(長江沖淡水)和雜交漸滲相互影響共同促進(jìn)與維持了口蝦蛄適應(yīng)性遺傳格局。

口蝦蛄溫度適應(yīng)性遺傳格局的形成與維持及其氣候適應(yīng)的意義
本研究作為一個(gè)研究范例,綜合群體基因組學(xué)和生態(tài)學(xué)研究方法,以演化為主線,揭示了環(huán)境與生物交互作用對(duì)西北太平洋生物多樣性格局的塑造。同時(shí),該研究強(qiáng)調(diào)了解析氣候適應(yīng)關(guān)聯(lián)的等位基因變異空間分布特征對(duì)氣候變化下海洋生物多樣性保護(hù)以及預(yù)測(cè)海洋生物對(duì)未來氣候變化的適應(yīng)潛力的重要性。
中國科學(xué)院海洋研究所為論文第一完成單位,中國科學(xué)院海洋研究所程嬌副研究員和中國科學(xué)院南海海洋研究所張志新研究員為共同第一作者,海洋研究所沙忠利研究員為通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(杰青項(xiàng)目、面上項(xiàng)目)和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
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