2023-10-23
《Ecology and Evolution》
影響因子：2.6
近日，中山大學生命科學學院在生物學領域的《Ecology and Evolution》發表新研究成果！本研究對中國8個地點的156個間下鱵樣本進行ddRAD-Seq，結果表明種群分類和非生物因素的影響使間下鱵發生了遺傳和表型多態性以及適度的遺傳分化。
研究背景 間下鱵是一種溯河產卵、半(ban)喙的(de)(de)(de)(de)(de)淡海水(shui)魚類，廣(guang)泛分布于(yu)中國沿海地區(qu)和(he)(he)多(duo)樣化的(de)(de)(de)(de)(de)淡水(shui)系統，這(zhe)使(shi)其成(cheng)為系統地理(li)學和(he)(he)當(dang)地適應研究的(de)(de)(de)(de)(de)模型(xing)。本(ben)研究對來(lai)自(zi)異質水(shui)生棲(qi)息地的(de)(de)(de)(de)(de)8個(ge)地點的(de)(de)(de)(de)(de)156個(ge)樣本(ben)進(jin)行(xing)了抽樣，以(yi)檢查環(huan)境和(he)(he)遺(yi)傳對表型(xing)分化的(de)(de)(de)(de)(de)影響。對來(lai)自(zi)不(bu)同流域的(de)(de)(de)(de)(de)標本(ben)進(jin)行(xing)ddRAD-Seq，基于(yu)開發(fa)出的(de)(de)(de)(de)(de)5498個(ge)SNP，研究種群(qun)分化。研究發(fa)現，當(dang)今中國大(da)陸的(de)(de)(de)(de)(de)種群(qun)分化成(cheng)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)遺(yi)傳類群(qun)。從高原湖泊發(fa)生遷移(yi)后，群(qun)體(ti)歷史表明間下鱵分化為兩(liang)個(ge)主要群(qun)體(ti)，但(dan)兩(liang)個(ge)種群(qun)中幾(ji)乎沒有發(fa)生遺(yi)傳多(duo)樣性的(de)(de)(de)(de)(de)變化。此外，南部群(qun)體(ti)和(he)(he)其他群(qun)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)背鰭和(he)(he)肛鰭特征(zheng)差異很(hen)大(da)，這(zhe)是個(ge)新(xin)發(fa)現。通過探索(suo)基因(yin)型(xing)-表型(xing)-環(huan)境關(guan)聯并預測候選基因(yin)座(zuo)，預測可能的(de)(de)(de)(de)(de)候選基因(yin)。本(ben)研究旨在通過ddRAD方法探討間下鱵的(de)(de)(de)(de)(de)遺(yi)傳多(duo)樣性、種群(qun)歷史和(he)(he)環(huan)境適應性。 02
研究材料與方法 1.實驗材料 收集(ji)云(yun)南(nan)丹池、撫仙湖(hu)，珠海三水、高明(ming)和斗門(men)，崇明(ming)河口(kou)，蘇州(zhou)太湖(hu)，濟寧(ning)微(wei)山湖(hu)8個(ge)地點(dian)的間下(xia)鱵共156個(ge)樣本(ben)。 2.測序平臺 Illumina Hiseq2500 3.分析內容 PCA分析(xi)、進化樹構建(jian)、遺傳結構分析(xi)、群體遺傳多(duo)樣性分析(xi)、種群歷(li)史分析(xi)等。
研究結果 1.遺傳多樣性與種群(qun)分化(hua) 基于156個樣本開發出5498個SNP用于遺傳多樣性分析，結果顯示不同流域群體間的遺傳多樣性略有差異。種群間的平均預期雜合度（He）范圍為0.1786-0.1973，而北部（SZ，CM，JN除外）和高原（DC，FXH）的He值高于南部群體，在核苷酸多樣性方面也觀察到類似的趨勢。高原組是在遷移后形成，并且FIS值也是最低（0.0254-0.0265）。哈迪-溫伯格不平衡位點檢測顯示，在每個群體中該值均<4%，但在整個群體中大多數（>70%）處于不平衡狀態。5498個SNP的分子方差分析顯示組間（56.70%）和群體內（43.01%）存在顯著的遺傳變異。此外，珠江水系南部類群的FST值與其余群體相比具有較高的分化水平（0.3171-0.3781），在分子系統發育樹中形成了一個獨特的聚類。盡管在過去幾十年中，北部和高原的遺傳差異均未達到顯著水平（0.0372-0.0553），但FST略有增加，說明種群間存在一定遺傳分化趨勢。 圖1 遺傳多樣性與種群分化數據統(tong)計 2.遺傳結構、系統地理學和遷移分析 在系統發(fa)育分(fen)析中(zhong)，南方(fang)群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)（SS、GM和DM）形成了(le)一(yi)個獨特的(de)(de)(de)分(fen)支(zhi)，而來自(zi)北部(bu)和高原(yuan)湖泊(bo)系統的(de)(de)(de)樣本被(bei)分(fen)配到(dao)另一(yi)緊(jin)密的(de)(de)(de)分(fen)支(zhi)，表明(ming)這兩(liang)(liang)個系統之間(jian)存在密切(qie)的(de)(de)(de)關聯。來自(zi)5個群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)體的(de)(de)(de)8個樣本被(bei)歸類(lei)為姐(jie)妹分(fen)支(zhi)，為遷移事件提供了(le)有力證(zheng)據。在PCA分(fen)析中(zhong)可以明(ming)確地分(fen)成三(san)個不同的(de)(de)(de)譜系，而ADMIXTURE分(fen)析表明(ming)有三(san)個遺傳簇（K = 3），說明(ming)主成分(fen)分(fen)析和群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)體結構分(fen)析產生了(le)類(lei)似(si)的(de)(de)(de)系統發(fa)育拓撲(pu)。基因流（TreeMix）分(fen)析揭示了(le)兩(liang)(liang)個關鍵結果(guo)：首(shou)先，在兩(liang)(liang)個主要(yao)分(fen)支(zhi)內(nei)，南部(bu)類(lei)群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)與其他群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)體明(ming)確分(fen)離，而高原(yuan)類(lei)群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)和北部(bu)類(lei)群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)是混合類(lei)群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)，與二(er)級優(you)化結構中(zhong)發(fa)現的(de)(de)(de)類(lei)群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)相似(si)。其次，個別種群(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)(qun)內(nei)發(fa)生近期基因交(jiao)流的(de)(de)(de)事件。 圖2 間下鱵遺傳結構分析 3.種群歷史分析 間下(xia)鱵的(de)(de)完整(zheng) SNP 數據(ju)集的(de)(de)結果具(ju)有顯著(zhu)的(de)(de)正值（Tajima`s D=1.936），這表明中(zhong)頻基因座是多態的(de)(de)且在(zai)(zai)基因組中(zhong)占主導地位，說明種(zhong)(zhong)(zhong)群(qun)(qun)(qun)細分保持了高的(de)(de)遺(yi)傳方(fang)(fang)差。間下(xia)鱵祖(zu)先起源的(de)(de)四種(zhong)(zhong)(zhong)可能場景(jing)在(zai)(zai) DIYABC 中(zhong)進(jin)行了展示。分析表明，南方(fang)(fang)種(zhong)(zhong)(zhong)群(qun)(qun)(qun)和(he)源自北方(fang)(fang)本土(tu)原生種(zhong)(zhong)(zhong)群(qun)(qun)(qun)的(de)(de)高原種(zhong)(zhong)(zhong)群(qun)(qun)(qun)具(ju)有最高的(de)(de)支持度，而(er)其他模型的(de)(de)概(gai)率較低(di)。基于(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)群(qun)(qun)(qun)統計模型，有效種(zhong)(zhong)(zhong)群(qun)(qun)(qun)的(de)(de)大(da)小(xiao)值在(zai)(zai)區(qu)域間差異很大(da)，具(ju)體(ti)：北部類(lei)群(qun)(qun)(qun)（NP）較大(da)（8.69E+03），高原類(lei)群(qun)(qun)(qun)（PL）較小(xiao)（6.42E+03），而(er)南方(fang)(fang)類(lei)群(qun)(qun)(qun)（SP）僅(jin)為(wei) 7.17E+02。 圖3 基于ABC模型的種群歷史分析 4.基因型-環境和基因型-表型關聯分析 基于開發出的5498個SNP，基于四個變量（溶解氧 、葉綠素 a、NH4+-N 和每日溫度范圍）進行氣候和環境變量的冗余分析 (RDA) ，結果表明前兩個成分的變異解釋率分別為82.1%、8.96% ，顯示出與基因型的顯著統計學差異（p = 0.001，R2adj = 0 .2938）。Pearson分析區分了與背鰭和肛鰭基部相關的明顯形狀變化，表明顯著表型差異的出現與基因型分化一致。在間下鱵基因型-表型關聯（GPA）模型受到形態學約束時，使用 RDA 鑒定的10個表型性狀表現出統計關聯（p = .001，R2adj = 0.2438）。第一個RDA1軸代表SNP基因型的主要方差（76.74%），其次是RDA2（7.42%）和RDA3（4.95%）。肛鰭和背鰭是揭示南方群體和其他種群之間分離的核心變量（R2anal = 0.7269，R2dorsal = 0.4046），說明肛鰭和背鰭差異促進了生態型之間差異。 圖4 冗余分析 5.受選擇位點分析 用Bayescan方法，篩選出1099個基因座為受選擇位點，其中1055個SNP的FST顯著較高，而49個SNP顯著較低。使用RDA模型，總共確定了94個GEA和29個GPA基因座。在GEA中，大多數基因座與NH4+-N和DO最相關。在其余的受選擇位點中，7個與平均DTR相關，6個與葉綠素a含量相關；而在GPA中，很大一部分SNP與肛鰭和形態學上的標準長度相關。韋恩圖顯示有16個受選擇位點同時包含GEA和GPA，總是上所述，結合Bayescan和RDA方法，共檢測到9個處于多樣化選擇下的SNP，這些位點很有可能是候選位點。 圖5 受選擇位點分析
結論 本研究結果表明地下水屏障和非生物因素（DTR、DO、NH4+- N和葉綠素 a）在大范圍內塑造了間下鱵的系統地理學和多樣性。此外，高原湖泊中引入的間下鱵起源于北方，而南方種群的基因型和表型均出現明顯的早期分化，這是一個可能發展成早期物種的孤立譜系。在南北群體中檢測到距離隔離證明了間下鱵經歷了細分，這對于適應新棲息地過程中的生存是必不可少的。間下鱵種群結構的形成、種群細分的相互作用以及非生物因素的強烈影響導致異質環境中的分歧，為遷移行為的作用消失提供了強有力的證據。
本研究的群體進化測序與部分分析由上海派森諾生物科技有限公司完成。如需進一步討論，歡迎發郵件或者致電我們喲（郵箱地址：genome_support@doudin.cn，聯系電話：025-56165883-835）！
文章索(suo)引： Wang G P, Lai H, Bi S, et al. ddRAD-Seq reveals evolutionary insights into population differentiation and the cryptic phylogeography of Hyporhamphus intermedius in China[J]. Ecology and Evolution, 2022, 12(7):1-17. doi: 10.1038/s41588-021-00836-9
