海洋所在環(huán)境與生物交互作用對口蝦蛄適應性分化格局的塑造方面獲新進展
近日,國際環(huán)境科學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,報道了中國科學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口蝦蛄適應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)境與生物在不同時空尺度共同作用的結果。西北太平洋邊緣海的歷史環(huán)境變遷與當前復雜洋流及高度異質的空間環(huán)境必將對現(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,構成了西北太平洋區(qū)域生物和海洋環(huán)境協(xié)同演化的重要科學問題。
本研究以西北太平洋廣布種口蝦蛄(Oratosquilla oratoria)為研究對象,利用簡化基因組測序技術對采集自中國和日本沿岸口蝦蛄7個地理群體共計130個個體進行了全基因組掃描。群體遺傳結構分析發(fā)現(xiàn)口蝦蛄在分布范圍內(nèi)存在明顯的生態(tài)地理結構,該結構以南北種群的差異為主;且這一南北差異主導的種群結構均存在于中國和日本沿岸。此外,在日本海中部群體檢測到雜交個體,其親本分別來自于日本的南、北方,提示存在雜交漸滲。進一步整合時、空尺度上環(huán)境數(shù)據(jù)與遺傳數(shù)據(jù),證實口蝦蛄在分布范圍內(nèi)存在適應性分化格局,空間溫度選擇壓力是重要驅動力。
在自然選擇加持下,種群等位基因頻率會向有利于提高適合度的方向穩(wěn)定變化,從而促進對環(huán)境的適應。該研究鑒定到多個與溫度適應關聯(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、信號傳導、應激等多個生物過程。研究人員重點關注了TRPA1基因,它是一種熱敏離子通道,與溫度感應相關,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,導致主效等位基因在較冷的水域被固定,推測TRPA1等位基因頻率的變化可能有助于口蝦蛄對不同熱環(huán)境的適應。
最后,基于中性數(shù)據(jù)集進行了群體分化歷史分析,以追溯歷史環(huán)境變遷對口蝦蛄適應性分化格局的影響。研究發(fā)現(xiàn)第四紀冰期海平面下降導致的生境隔離可能驅動了祖先適應性等位基因的固定。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。西北太平洋復雜洋流以及生態(tài)位差異導致的環(huán)境過濾對遷移個體和/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鍵。物種分布模型(SDM)預測在未來氣候情景下日本沿岸的雜交區(qū)將進一步擴大,可能會促進基因交流,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、當前環(huán)境溫度空間異質性(歧化選擇)、洋流(長江沖淡水)和雜交漸滲相互影響共同促進與維持了口蝦蛄適應性遺傳格局。

口蝦蛄溫度適應性遺傳格局的形成與維持及其氣候適應的意義
本研究作為一個研究范例,綜合群體基因組學和生態(tài)學研究方法,以演化為主線,揭示了環(huán)境與生物交互作用對西北太平洋生物多樣性格局的塑造。同時,該研究強調(diào)了解析氣候適應關聯(lián)的等位基因變異空間分布特征對氣候變化下海洋生物多樣性保護以及預測海洋生物對未來氣候變化的適應潛力的重要性。
中國科學院海洋研究所為論文第一完成單位,中國科學院海洋研究所程嬌副研究員和中國科學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基金項目(杰青項目、面上項目)和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目聯(lián)合資助。
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