石爬鮡复合种局域适应及物种形成的分子基础研究

摘要

生物如何生存并适应复杂的自然环境一直是生物学家关注的重点和核心问题。局域适应（Local adaptation）作为生物适应自然环境的重要一面，在自然界中普遍存在。其在生物多样性塑造、物种遗传变异维持、物种分布范围扩张以及生态物种形成等方面起着重要作用。尽管局域适应的证据广泛存在，迄今其遗传学基础却知之甚少。鱼类具有很强的环境适应能力，容易随环境改变而发生适应性演化并最终形成新的物种，因而使得鱼类成为当今脊椎动物中物种数最为丰富的类群。另外，生活于水体中的鱼类，其分布受到水系的严格限制，遗传分化和种群结构容易受到地质历史事件的影响。与其他脊椎动物相比，鱼类分布与其栖息的水体环境之间有着密切的联系。因此，鱼类特别是淡水鱼类是研究局域适应和物种形成的理想类群。石爬鮡属（Euchiloglanis Regan,1907）隶属于辐鳍鱼纲（Actinopterygii）、鲇形目（Siluriformes）、鮡科（Sisoridae），是在高山峡谷、陡坡急流的环境中营底栖生活、无洄游的淡水鱼类。迄今，石爬鮡属描记的物种有6个，其中3个种（E. dorsoarcus, E. longus, E. phongthoensis）局限分布于红河水系，另外3个种（E. davidi, E. kishinouyei, E. longibarbatus）局限分布于横断山区的长江上游水系。分布于横断山区长江上游水系的3种石爬鮡由于在形态上极其相似、在分子水平上分歧很小，该属物种在成种时间上并不长且有可能还正处于成种过程中，彼此间可能还存在一定的基因交流（我们将分布于横断山区的3个物种作为“石爬鮡复合种”对待）。因此，横断山区分布的石爬鮡复合种是研究局域适应以及物种形成的理想模型。本文以分布于横断山区的石爬鮡复合种为研究对象，从多变量形态度量学、几何形态学、谱系地理学以及群体基因组学的角度，来探讨其局域适应及物种形成的分子基础。旨在回答的科学问题是：哪些表型特征在石爬鮡复合种局域适应和物种形成过程中扮演着重要角色？石爬鮡复合种的遗传分化及谱系地理过程如何？哪些基因以及生态因子在石爬鮡局域适应及物种形成过程中起关键作用。本研究主要内容包括：
　　⑴基于多变量形态度量学和几何形态学对石爬鮡复合种的形态分化进行研究。分别对8个不同群体共233尾样本，选取11个解剖学坐标点以及52个可量性状对其进行多变量形态度量；此外，选取和多变量形态度量对应的8个群体共226尾样本，背面观选取20个标定点，腹面观选取17个标定点分别进行几何形态学分析。多变量形态度量结果表明：主成分和线性辨别分析显示金沙江和青衣江的群体在形态上差异较大，能够区分于大渡河和雅砻江的群体，而大渡河和雅砻江的群体形态差异相对较小。不同地理群体的石爬鮡复合种形态差异主要表现在头部相对大小、口裂大小、胸鳍、腹鳍、背鳍、臀鳍以及脂鳍起点、眼径、颌须的延长部分、鳃孔大小、肛门位置、背鳍长、脂鳍长以及尾柄高；几何形态学的主成分分析和典型变量分析结果表明：其聚类关系和多变量形态度量学的结果相吻合；辨别分析表明：其形状变异结果主要为：青衣江的群体头部最扁，背鳍起点最靠后且背鳍长更长，脂鳍起点最靠后，脂鳍长最短，臀鳍长最长；金沙江的群体头部扁平程度最小，背鳍起点、臀鳍起点和肛门位置最靠前，背鳍长最短，口裂最小；雅砻江的群体脂鳍起点最靠前且脂鳍长最长，臀鳍起点以及肛门位置最靠后，口裂最大；对于尾柄高，大渡河和雅砻江的群体尾柄高最大，大渡河和雅砻江的表型分化相对较小，金沙江的群体尾柄高最小。
　　⑵基于线粒体cyt b基因序列和10对微卫星分子标记对石爬鮡复合种进行遗传分化和谱系地理分析。主要结果为：从11个群体360个个体中成功获得360条cyt b基因序列，包含125个单倍型，基于单倍型构建的系统发育树及单倍型网络图支持石爬鮡复合种分为四个支系，并与所属水系相一致；基于10对微卫星分子标记在7个群体192个个体中扩增得到的数据，进行 Structure分析，其结果支持单倍型网络图和系统发育的结果；两种分子标记均支持石爬鮡复合种的遗传多样性呈中度多态，且水系间遗传分化达到高度分化的水平；地理距离和遗传距离的相关性分析显示：石爬鮡复合种群体间遗传分化与地理距离显著相关；错配分布、中性检验以及贝叶斯天际线（BSP）分析结果均支持不同水系石爬鮡复合种群体经历过种群扩张现象，扩张时间和第四纪间冰期的时间对应；种群分化时间估算结果显示：横断山区石爬鮡复合种起源时间约为1.3百万年前（Ma）（95%置信区间为0.9-1.7 Ma）；大渡河和雅砻江群体分化时间约为0.7 Ma（95%置信区间为0.5-1.0 Ma）；金沙江和青衣江群体分化时间约为0.7 Ma（95%置信区间为0.4-1.1 Ma）；大渡河-雅砻江群体和金沙江-青衣江群体这两支系的分化时间约为1 Ma（95%置信区间为0.6-1.4 Ma）。分化时间与相应的地质事件和河流变迁时间相一致。
　　⑶基于RAD测序数据对石爬鮡复合种进行了群体基因组学分析。对9个群体213尾石爬鮡复合种以及3尾中华鮡进行RAD测序，共得到339.42 Gb原始数据，质控后得到226.52 Gb过滤数据和6,606个SNPs，基于这些SNPs或SNPs所在的RAD-tags进行系统发育、聚类分析、基因流、物种界定以及功能注释，结果如下：以中华鮡为外类群，通过贝叶斯法、最大简约法和最大似然法对石爬鮡复合种进行系统发育关系重建，其拓扑结构均支持石爬鮡复合种可按水系分为四个支系；主成分分析、主成分辨别等聚类分析结果均支持系统发育分析的结果，表明大渡河和雅砻江的群体亲缘关系更近；基于SOM模型的特征诊断位点分析一共得到1,891个特征诊断位点，为不同水系石爬鮡复合种的鉴别提供参考资料；对不同水系之间的石爬鮡复合种进行基因流分析，结果表明大渡河到雅砻江的基因流达到3.735，这解释了大渡河和雅砻江群体具有更近的亲缘关系和形态分化相对较小的原因；石爬鮡复合种物种界定结果显示：横断山区石爬鮡复合种分为三个物种，金沙江的为一个物种，青衣江的为一个物种，大渡河和雅砻江的为一个物种；基于LOSITAN和ARLEQUIN对水系间的石爬鮡复合种进行离群分析，得到受选择位点，将受选择位点与Swissprot和GO数据库比对注释后，筛选到与石爬鮡复合种局域适应及物种形成相关的候选基因主要有：跨膜转运相关的基因：MYH家族，MYO1H, Myosin IC, EXOC3, DNM1, STOM, SLC2A10；突触传递相关基因：CA家族, ACTL6A, PPFIA1, TAAR8；转录调控相关基因：ZSCAN29, ZNF257, KANSL3, HCFC1；生长发育相关基因：ID1, MYOCD, MKL2, PRKCD, MYH10, DHX32, ANK2；细胞生殖与有丝分裂基因：TUBD1, TUBB2A；受体介导的内吞作用的基因：LRP1B；磷酸盐转运蛋白相关基因：SLC家族；免疫相关基因：PRKCE, RAB32, RAB38；渗透压调节相关基因：TRPV4等。基于水系间差异的SNP以及受选择位点的GO注释结果的GO富集显示：富集到的GO terms主要与细胞分化、调节细胞形态、组织结构发育、转录、代谢、离子跨膜转运、突触传递、机体应激反应、细胞对氧水平降低和缺氧的反应及免疫应答等基本生物学功能相关。气候因子聚类分析结果显示：降水量、气温和海拔高度的差异是引起石爬鮡复合种局域适应及物种形成的关键气候因子。

目录

声明

中英文缩略表

第1章 文献综述

1.1局域适应

1.2生态物种形成

1.3石爬鮡属鱼类的研究进展

1.4本研究的目的和意义

第2章 石爬鮡复合种形态分化研究

2.1引言

2.2材料与方法

2.3结果

2.4讨论

2.5小结

第3章 石爬鮡复合种遗传分化研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果

3.4讨论

3.5小结

第4章 石爬鮡复合种群体基因组学研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果

4.4讨论

4.5小结

第5章 总结与展望

5.1本研究的结论

5.2本研究的创新点

5.3展望

参考文献

附录

附录Ⅰ 石爬鮡复合种形态学测量数据

附录Ⅱ125对微卫星引物序列及跨种扩增结果

附录ⅢRAD测序样本及相关信息

致谢

在校期间科研实践情况