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、半喙的淡海水魚類，廣泛分布于中國沿海地區和多樣化的淡水系統，這使其成為系統地理學和當地適應研究的模型。本研究對來自異質水生棲息地的8個地點的156個樣本進行了抽樣，以檢查環境和遺傳對表型分化的影響。對來自不同流域的標本進行ddRAD-Seq，基于開發出的5498個SNP，研究種群分化。研究發現，當今中國大陸的種群分化成不同的遺傳類群。從高原湖泊發生遷移后，群體歷史表明間下鱵分化為兩個主要群體，但兩個種群中幾乎沒有發生遺傳多樣性的變化。此外，南部群體和其他群體的背鰭和肛鰭特征差異很大，這是個新發現。通過探索基因型-表型-環境關聯并預測候選基因座，預測可能的候選基因。本研究旨在通過ddRAD方法探討間下鱵的遺傳多樣性、種群歷史和環境適應性。 02
研究材料與方法 1.實驗材料 收集云南丹池、撫仙湖，珠海三水、高明和斗門，崇明河口，蘇州太湖，濟寧微山湖8個地點的間下鱵共156個樣本。 2.測序平臺 Illumina Hiseq2500 3.分析內容 PCA分析、進化樹構建、遺傳結構分析、群體遺傳多樣性分析、種群歷史分析等。
研究結果 1.遺傳多樣性與種群分化 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計 2.遺傳結構、系統地理學和遷移分析 在系統發育分析中，南方群（SS、GM和DM）形成了一個獨特的分支，而來自北部和高原湖泊系統的樣本被分配到另一緊密的分支，表明這兩個系統之間存在密切的關聯。來自5個群體的8個樣本被歸類為姐妹分支，為遷移事件提供了有力證據。在PCA分析中可以明確地分成三個不同的譜系，而ADMIXTURE分析表明有三個遺傳簇（K = 3），說明主成分分析和群體結構分析產生了類似的系統發育拓撲。基因流（TreeMix）分析揭示了兩個關鍵結果：首先，在兩個主要分支內，南部類群與其他群體明確分離，而高原類群和北部類群是混合類群，與二級優化結構中發現的類群相似。其次，個別種群內發生近期基因交流的事件。 圖2 間下鱵遺傳結構分析 3.種群歷史分析 間下鱵的完整 SNP 數據集的結果具有顯著的正值（Tajima`s D=1.936），這表明中頻基因座是多態的且在基因組中占主導地位，說明種群細分保持了高的遺傳方差。間下鱵祖先起源的四種可能場景在 DIYABC 中進行了展示。分析表明，南方種群和源自北方本土原生種群的高原種群具有最高的支持度，而其他模型的概率較低。基于種群統計模型，有效種群的大小值在區域間差異很大，具體：北部類群（NP）較大（8.69E+03），高原類群（PL）較小（6.42E+03），而南方類群（SP）僅為 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：[email protected]，聯系電話：025-56165883-835）！
文章索引： 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
