2022年夏季膠州灣致災物種多棘海盤車的分子解析*

王 靜 段澤林 何子巖, 4 陳楠生, 4

2022年夏季膠州灣致災物種多棘海盤車的分子解析*

王 靜1, 2, 3段澤林1, 2, 3何子巖1, 2, 3, 4陳楠生1, 2, 3, 4①

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室 山東青島 266071; 2. 嶗山實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室 山東青島 266237; 3. 中國科學院海洋大科學研究中心 山東青島 266071; 4. 中國科學院大學 北京 100049)

多棘海盤車()是海星綱的一個致災物種, 廣泛分布于包括我國黃海、渤海海域、韓國、日本和俄羅斯海域在內的北太平洋海域, 并作為入侵種分布于澳大利亞的塔斯馬尼亞海域。多棘海盤車在多個海域發生過暴發性增殖導致的高密度、大規模聚集, 對海洋生態系統和水產養殖造成嚴重的負面影響。自2006年以來在我國山東青島海域多次發生大規模多棘海盤車聚集, 對貝類養殖造成重大經濟損失。日本、俄羅斯、澳大利亞等海域的多棘海盤車遺傳多樣性研究取得了顯著進展, 然而, 迄今為止鮮有針對我國海域致災物種多棘海盤車的分子生物學分析, 阻礙了我國海域種群與全球種群間遺傳進化關系的比較分析。研究重點分析了于2022年7月在膠州灣發生多棘海盤車暴發時采集的12個樣本, 系統組裝了其線粒體基因組、核糖體基因簇以及多種通用分子標記?；诰€粒體基因組和核糖體基因簇的系統發育分析表明多棘海盤車具有較高的種內遺傳多樣性。基于線粒體基因組的蛋白編碼基因進行分化時間估算, 多棘海盤車的種內遺傳分化可能發生在1.7～4.2 Ma, 表明多棘海盤車的擴布可能較早發生。與線粒體基因組相比, 多棘海盤車核糖體基因簇序列在種內極為保守, 基本沒有表現出種內序列差異, 表明線粒體基因組對多棘海盤車遺傳多樣性具有更高的分辨率。研究不僅首次構建了我國膠州灣海域致災物種多棘海盤車的多種分子標記序列, 開發的高分辨率分子標記也將為實時監控膠州灣以及其他海域多棘海盤車的多樣性特征和變化提供技術支持。

多棘海盤車; 暴發; 遺傳進化; 膠州灣; 線粒體; 核糖體基因簇

多棘海盤車()是掠食性海洋底棲無脊椎動物, 屬于棘皮動物門(Echinodermata)、海星綱(Asteroidea)、鉗棘目(Forcipulatida)、海盤車科(Asteriidae)、海盤車屬()。多棘海盤車是北太平洋的常見種, 垂直分布于潮間帶至200 m水深海域, 在中國渤海、黃海、美國阿拉斯加和阿留申群島、北冰洋、白令海峽、鄂霍茨克海、日本海、韃靼海峽均有分布(徐思嘉等, 2018)。同時, 在1986年多棘海盤車首次被記錄為入侵種出現在澳大利亞塔斯馬尼亞(Tasmania)島, 并確定建立種群(Buttermore, 1994; Ward, 1995)。

多棘海盤車有“海底蝗蟲”之稱, 在包括我國和日本在內的北太平洋海域, 以及澳大利亞塔斯馬尼亞海域等多個海域發生暴發事件, 造成了重大的經濟損失和生態災害。1954年日本東京灣僅因多棘海盤車攝食養殖貝類導致的經濟損失高達4億多日元(Kim, 1968); 1974年日本鳥取縣發生多棘海盤車暴發性聚集, 導致增殖放養的東風螺幾乎被捕食(孫光, 1983); 七年之后, 多棘海盤車再次在日本聚集, 對當地放流的魁蚶()造成重大損失(孫光, 1983)。多棘海盤車在澳大利亞海域的首個記錄發生在1986年10月的塔斯馬尼亞島的德溫特河河口, 自此便持續發生因其聚集危害當地貝類養殖的事件(Buttermore, 1994; Ward, 1995), 被認為是本地海洋生物的嚴重害蟲。它與塔斯馬尼亞極度瀕危魚類粗體澳洲躄魚()急劇減少有關(Stevens, 2022)。自2000年起, 隨著我國北方養殖業的發展, 海星暴發問題日趨嚴重, 嚴重危害當地養殖業。2006年7月多棘海盤車暴發, 密度高達300個/m2(周書珩等, 2008)。2007年3月膠州灣的16萬畝菲律賓蛤仔()中60%遭到多棘海盤車侵害(周書珩等, 2008)。2021～2022年連續兩年在山東青島膠州灣海域出現多棘海盤車聚集的現象, 相比2021年2月的多棘海盤車聚集事件, 2022年的多棘海盤車暴發呈現新的特點, 一方面2022年分別在2月和7月共暴發了兩次大規模聚集, 另一方面2022年7月的聚集災害系多棘海盤車與軟體動物經氏殼蛞蝓()同時暴發。對于多棘海盤車大規模暴發, 目前尚無有效的檢測方法和有效的治理措施, 使用最多的治理辦法仍是在暴發之后進行捕撈清理。

盡管多棘海盤車分布廣泛、且暴發性增殖對生態環境和水產養殖能夠產生嚴重的負面影響, 但針對多棘海盤車遺傳多樣性的分子生物學研究相對較少。食品營養和藥物方面的研究發現多棘海盤車含有多糖、脂類、甾醇、皂苷等多種活性成分, 對食品藥品的功能性開發具有重要的研究價值(李敏晶等, 2017)。同時, 還有大量的研究集中于多棘海盤車的生物學特性和對菲律賓蛤仔、魁蚶等貝類的捕食特性(張秀梅等, 2014; 周珊珊等, 2014; 李淑蕓等, 2014; 張天文等, 2015)。此外, 研究報道稱海星等棘皮動物會吸收海水中的碳, 以無機鹽形式形成外骨骼, 死亡后體內大部分含碳物質留在海底, 從而減少海洋中的碳進入大氣, 在海洋碳循環中起著重要作用(Lebrato, 2010)。

迄今對于多棘海盤車的遺傳多樣性分析主要集中在日本海樣本。采自日本巖手縣的多棘海盤車樣本的線粒體基因組最早得到解析(Matsubara, 2005)。最近, 采集自日本東北部青森縣、宮城縣女川和巖手縣的16個多棘海盤車樣本和南部岡山縣瀨戶內市牛窓的10個多棘海盤車樣本的線粒體基因組得到比較分析, 結果顯示東北部的樣本和南部的樣本分別聚類為兩個支系(Inoue, 2020)。針對我國多棘海盤車遺傳多樣性的研究較少，對于我國膠州灣海域, 已有的研究中僅有三個多棘海盤車幼蟲的序列報道(王敏曉等, 2011)。

本研究重點分析了采集于2022年7月在膠州灣多棘海盤車暴發時的12個樣本, 以及3個采集自連云港海域的樣本, 系統構建了其線粒體基因組、核糖體基因簇以及多種通用分子標記, 并開展了比較分析, 嘗試開發了針對多棘海盤車的高分辨率分子標記。本研究不僅首次測序組裝了我國膠州灣海域致災物種多棘海盤車的多種分子序列, 開發的高分辨率分子標記也將為實時監控膠州灣以及其他海域多棘海盤車的多樣性特征和時空變化提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2022年7月6日搭乘青島膠州灣漁民的漁船采用680目底拖網在膠州灣海域(圖1a)底拖獲得海星樣本, 挑選12個健康個體(表1)暫養于自然海水, 1小時內送達實驗室。樣品到達實驗室后, 在滅菌海水中使用毛刷迅速清理, 使用滅菌手術剪剪取每個個體的一條腕足, 收集外殼于?80 °C冰箱迅速冷凍。2022年8月5日搭乘科學3號科考船在黃海連云港海域底拖網采集了3個海星樣本(表1), 現場海水沖洗, 使用滅菌手術剪剪取每個個體的一條腕足, 收集外殼于?80 °C冰箱迅速冷凍。此外, 為了進行系統的比較研究, 本文下載了已發表的25個日本多棘海盤車樣本二代基因組測序的數據(Inoue, 2020) (表1)。

1.2 DNA文庫制備與測序

樣本基因組DNA采用傳統的CTAB (Cetyltrimethylammonium Bromide)方法進行提取, 所提取的DNA經Covaris S220超聲破碎儀(美國)進行片段化, 獲得讀長為350 bp的DNA序列; 經末端修復、加A尾、加測序接頭、純化、PCR及產物富集。文庫質量分別采用NGS3K/Caliper和real-time PCR (Qubit 3.0 fluorometer, Invitrogen, 美國)進行文庫大小分布評估和定量分析。質量合格的文庫采用深圳華大DNBSEQ-T7進行測序。

1.3 線粒體基因組組裝與注釋

采用GetOrganelle軟件(Jin, 2020)從頭組裝獲得線粒體基因組序列, 其中使用的組裝軟件為SPAdes (3.10.1) (Bankevich, 2012), 組裝過程中使用的seed參考序列為NCBI登錄序列AB183559.1 (Matsubara, 2005)。組裝后的線粒體基因組序列通過BWA v0.7.17軟件的MEM運算法對所構建的線粒體基因組序列進行質檢(Li, 2011), 并通過IGV v2.8.12進行可視化比對分析(Robinson, 2011)。本研究采用在線軟件MITOS (Bernt, 2013)、MFannot (https://megasun.bch.umontreal.ca/ RNAweasel/)和ORF finder (Rombel, 2002)對線粒體基因組進行注釋。線粒體圈圖采用在線軟件OGDraw (Greiner, 2019)進行繪制。

表1 本文比較分析的所有海星樣本信息

Tab.1 Information of all starfish samples compared and analyzed in this article

1.4 核糖體基因簇組裝與注釋

核糖體基因簇的組裝、質檢方法同1.3, 組裝過程中使用的seed參考序列為NCBI登錄序列藍指海星() LC505033.1 (Hiruta, 2020)。核糖體基因簇的注釋采用Mega 7將組裝序列與LC505033.1進行序列比對。

1.5 系統發育分析

針對分析的序列采用在線mafft軟件(Madeira, 2022)進行比對, 然后在Mega 7 (Valach, 2014)中進行手動裁剪, 使用最大似然法進行系統發育樹構建, bootstrap值=1 000。

1.6 基因組序列比較分析

采用Dotter軟件(Sonnhammer, 1995)對序列進行兩兩比對分析, 分析的對象是以樣本編號為CNS01590的線粒體基因組為參照, 分別與日本個體On1、U1和膠州灣個體CNS01589進行比較分析, 所有參數為默認參數。

1.7 分化時間估算

以已發表線粒體基因組的所有海星綱物種以及棘皮動物其他綱物種(外類群)為對象, 采用Phylosuite v1.2.2 (Zhang, 2020)對其線粒體基因組的13個蛋白編碼基因的核酸序列進行提取、mafft比對、trimAL裁剪、Concatenate串聯序列, 然后使用IQ-tree進行系統發育樹構建并獲得樹形。分化時間估算采用PAML v4.8a的MCMCTree軟件包(Yang, 2007)。首先, “Branch lengths”、“gradient (g)”和“Hessian (H)”的估算采用最大似然估算(maximum likelihood estimates, MLE)和GTR + G substitution model (model=7), 同時采用independent rates clock model (clock=1)。分化時間的估算設置三個估算時間點(calibration points), 包括棘皮動物門(Echinodermata)分化時間[501～542 Million years ago (Ma)], 游移亞門(Eleutherozoa)分化時間(482～521 Ma)和海星亞門(Asterozoa)分化時間(>479 Ma)。系統發育樹的每個節點通過FigTree v1.4.3采用95%的HPD(highest posterior density interval)進行可視化展示。

1.8 基因組位點多樣性分析

以編號為CNS01590的多棘海盤車個體的線粒體基因組序列為參考序列, 采用BWA v0.7.17分別將25個日本多棘海盤車樣本的DNBSEQ-T7測序結果clean reads與其進行比對。然后使用SAMtools對比對結果進行分析獲得每個樣本的單核苷酸多樣性位點(single-nucleotide variants, SNVs)信息(homozygous support >85%) (Koboldt, 2012)。所有樣本的SNV位點通過內部Python腳本進行分析, 以CNS01590個體的線粒體基因組序列為參考, 以400 bp為滑移窗口尺寸進行連續計算。所有株系的每400 bp窗口的SNV密度和靈敏度通過CIRCOS進行可視化展示(Krzywinski, 2009)。

2 結果

2.1 物種鑒定及生物地理分布

2.1.1 形態描述 于2022年7月在膠州灣多棘海盤車暴發時采集的12個多棘海盤車樣本個體大小各異, 形態特征基本相同(圖1b)。樣本顏色與日本海域采集到的多棘海盤車樣本基本相同, 口面呈橙色, 反口面呈紫紅色, 棘刺呈白色。本次膠州灣采集的多棘海盤車樣本與以前在我國渤海、黃海海域采集到的樣本的特征基本一致, 盤扁平, 具有5個腕, 基部寬, 腕扁平。背板結合緊密, 背板上有背棘, 具有小刺和不明顯溝槽; 背棘基部具有交叉叉棘。腹側板上有少量皮鰓和直形叉棘; 側步帶棘交替排列, 末端尖細無小刺。根據形態分析, 判定12個膠州灣海星樣本均為多棘海盤車。

2.1.2 系統發育分析特征 通過對測序結果進行線粒體組裝, 獲得所有12個海星樣本的全長序列, 與已發表的序列MZ435266.1、MZ435267.1進行在線Blastn同源比對, 相似性達到99.10%和99.36% (Coverage 100%)。根據Inoue等(2020)的研究, NCBI SRA已公開了25個日本海域多棘海盤車樣本的Illumina測序數據, 本研究采用同樣的線粒體組裝和注釋方法獲得所有樣本的線粒體基因組和序列。同時, 下載了NCBI現已發表的全球多棘海盤車序列, 基于此51個樣本的序列構建系統發育樹, 結果如圖1c所示, 51個樣本在發育樹中聚類為兩個主要的分支, 包括Clade I和Clade II。Clade I的樣本全部采集自日本海域, 包含日本東北部的青森縣、宮城縣女川和巖手縣的16個樣本。Clade II包含了日本海烏蘇里灣、日本南部岡山縣瀨戶內海、我國青島膠州灣(2006年和2022年)、我國連云港、澳大利亞塔斯馬尼亞島的樣本(圖1a)。Clade II內部聚類形成兩個分支, 包括Clade IIA和Clade IIB, 這兩個分支的樣本顯示沒有明顯的地域偏好性(圖1c)。

圖1 多棘海盤車采樣及基于形態和cox1序列的鑒定

注: a: 2022年膠州灣海星采樣位點及全球多棘海盤車地理分布信息; b: 多棘海盤車樣本CNS01590的反口面和口面照片; c: 基于序列的系統發育分析; 進化樹序列編號的顏色代表樣本地理信息, 同圖1a

基于形態特征和系統發育特征, 可以確定2022年夏季膠州灣海星暴發樣本為多棘海盤車。比較分析發現多棘海盤車具有較高的種內遺傳多樣性。

2.2 多棘海盤車的遺傳進化分析

為了解析中國膠州灣多棘海盤車與全球其他海域多級盤車之間的遺傳進化關系, 本研究對其線粒體基因組和核糖體基因簇進行了組裝、注釋和比較分析。

2.2.1 基于線粒體基因組的多棘海盤車種內多樣性分析 本研究測序組裝了采集自膠州灣的12個和連云港的3個多棘海盤車樣本的線粒體基因組, 共15個樣本的線粒體基因組均完成環化。比較分析發現這些線粒體結構基本一致, 無大片段結構差異。以CNS01590樣本的線粒體圖譜為例(圖2a, 表2), 均包含13個蛋白編碼基因、2個rRNA和22個tRNA, 長度為16 419～16 421 bp。將CNS01590的線粒體基因組分別與圖1a中三個分支中的代表樣本On1、CNS01589和U1的線粒體基因組進行序列比對分析(圖2b～2d), 發現兩兩比較的樣本之間序列相似度較高, 沒有結構差異和重復序列等。

圖2 多棘海盤車CNS01590樣本的線粒體基因組圖譜及其與On1、CNS01589和U1樣本間的線粒體基因組序列間的比較分析

表2 多棘海盤車CNS01590線粒體基因組組成

為進一步探究多棘海盤車線粒體基因組的種內變異, 本研究以2022年于膠州灣采集的樣本CNS01590的線粒體基因組序列為參考, 計算了包括其他11個2022年于膠州灣采集的樣本、3個2022年于連云港采集的樣本和25個于日本海域采集的樣本的39個多棘海盤車樣本(表1)的單核苷酸變異位點的密度(圖3a), 結果顯示主要存在兩個高變異位點區, 第8 000～8 600 bp和第10 900～11 300 bp, 分別位于～和與之間的tRNA基因和非編碼區?；诖? 本研究構建了一個長度為3 700 bp的分子標記。該分子標記可以將所有不同的個體充分區分開來, 具有很高的分辨率(圖3b～3d)?；诒狙芯繕嫿ǖ母叻直媛史肿訕擞浀南到y發育樹(圖3b)顯示, 除了U1與U2之間無法區分, 其他樣本之間得以區分, 該分辨率與線粒體基因組全長序列的分辨率(圖3c)相當。對于常用的分子標記, 盡管全長序列也不能區分多組樣本(圖3d), 譬如A3、A5、A9與A10之間, 而本研究建立的高分辨率分子標記分辨能力遠高于全長序列的分辨率。因此, 該高分辨率分子標記可用于多棘海盤車的種內遺傳多樣性分析。

2.2.2 多棘海盤車與海星綱物種線粒體基因組的種間多樣性 為了探究多棘海盤車與其他海星綱物種間的進化特征, 本研究比較分析了海星綱物種間的線粒體結構組成和共線性(圖4), 結果發現海星綱物種的基因組成極為保守, 均包含13個蛋白編碼基因、2個rRNA和22個tRNA, 并且基因的組成順序和在基因組中的方向基本一致, 僅MT476596.1的基因位于基因組的反義鏈(按照基因位于正義鏈), 與其他物種相反。

基于線粒體基因組的13個蛋白編碼基因, 進行了包括多個多棘海盤車樣本在內的海星綱物種分化時間估算(圖5)。海星綱物種形成大約在322.1 Ma, 海盤車科(Asteriidae)物種約在161.3 Ma分化形成, 海盤車屬()約在36.6 Ma分化, 多棘海盤車物種約在8.0 Ma分化形成。多棘海盤車種內的變異可能發生在1.7～4.2 Ma。

注: a: 多棘海盤車線粒體基因組單核苷酸多樣性位點圖譜; b～d: 分別是基于本研究構建的高分辨率分子標記、線粒體基因組全長序列、全長序列的系統發育樹; 進化樹序列編號的顏色代表樣本地理信息

2.2.3 基于核糖體基因簇的多棘海盤車種內多樣性分析 為進一步揭示海星綱物種種間與多棘海盤車種內的多樣性特征, 本研究構建了40個多棘海盤車樣本和NCBI SRA數據庫中已提交測序數據的海星綱其他21個物種的核基因組基因核糖體基因簇。經統計, 海星綱物種的核糖體基因簇組成如表3, 海星綱物種的18S rDNA、ITS和28S rDNA的長度范圍分別為1 815～1 832 bp、966～1 658 bp和4 039～ 5 062 bp。ITS長度變化主要在于ITS1和ITS2, 5.8S rDNA的序列長度和序列組成較保守(165～168 bp)。對于多棘海盤車而言, 該物種種內的組成相當保守, 僅CNS01591、A4和On1三個樣本與其他37個樣本的ITS2存在1～2 bp的長度差異。

根據基于18S rDNA、ITS、28S rDNA以及18S-ITS-28S rDNA的系統發育樹(圖6), 18S rDNA、ITS、28S rDNA以及18S-ITS-28S rDNA均能夠對海星綱物種種間的系統發育關系有效區分, 對于多棘海盤車種內多樣性的分辨極低, 換言之, 多棘海盤車核糖體基因簇進化保守, 變異率極低。

3 討論

3.1 基于不同分子標記的多棘海盤車種內多樣性比較分析

本研究通過構建線粒體基因組(包括單基因通用分子標記)和核糖體基因簇, 分別獲得了中國膠州灣的多棘海盤車樣本的細胞器和核相關基因的系統發育特征。根據18S rDNA、ITS、28S rDNA以及18S-ITS-28S rDNA的系統發育樹, 多棘海盤車的核糖體基因簇序列種內極為保守, 僅僅CNS01591、A4和On1三個樣本與其他37個樣本的ITS2存在1～2 bp的長度差異, 18S rDNA、ITS1、5.8S rDNA、28S rDNA序列組成完全一致。Petrov等(2016)在比較日本海彼得大帝灣三個多棘海盤車樣本的ITS序列發現種內的變異位點僅在ITS2序列, 我們的結果與其一致。相比于核糖體基因簇, 多棘海盤車的序列具有較高的種內多樣性。對于的全長序列, Clade I與Clade II之間的序列相似度在96.9%～98.7%內; 即使在每個分支內部仍顯示了不同個體間的明顯差異, Clade I和Clade II內部序列相似度分別在97.8%～ 100%和98.4%～100%范圍內。由于相比全長序列, 線粒體基因組隨著序列長度的增加, 具有更多的變異位點, 因此種內的分辨率更高, 基本上實現對本研究中的多棘海盤車樣本的種內分辨(除了U1與U2之間的區分)。因此, 對于多棘海盤車而言, 線粒體基因組相比核糖體基因簇具有明顯的進化變異, 線粒體基因組適合于多棘海盤車的進化研究, 核糖體基因簇更適用于物種的種間鑒定。

圖4 海星綱物種的線粒體基因組共線性分析

圖5 基于線粒體蛋白編碼基因的海星綱物種的分化時間分析

注: 進化樹中紅色標識為突出顯示多棘海盤車

此外, 本研究比較分析了40個多棘海盤車個體的線粒體基因組多樣性, 并在此基礎上構建了一個約3 700 bp的高分辨率分子標記, 該分子標記的分辨率水平能夠達到線粒體基因組全長序列的分辨率, 可以后續應用于基于三代擴增子技術的宏條形碼分析, 從而能夠實現對環境樣本eDNA中多棘海盤車遺傳多樣性的快速檢測。

3.2 多棘海盤車的遺傳進化特征

基于線粒體基因組的比較分析, 我們發現多棘海盤車種內線粒體基因組結構完全一致, 甚至海星綱的物種間幾乎沒有結構的變異, 除了MT476596.1 (Quek, 2021)的基因所在正負鏈的位置與其他物種相反。

圖6 多棘海盤車及其他海星綱物種基于核糖體基因簇的系統發育關系

注: a～d分別為基于18S-ITS-28S rDNA、18S rDNA、ITS和28S rDNA構建的系統發育樹

表3 海星綱物種核糖體基因簇長度組成特點

續表

然而, 多棘海盤車線粒體基因組種內的變異十分顯著。在本研究分析的40個樣本中, 僅有兩個樣本的線粒體基因組序列組成完全一致。我國膠州灣和連云港的多棘海盤車樣本與日本牛窓海域的樣本聚為一枝, 說明我國膠州灣、連云港以及日本牛窓海域間多棘海盤車存在基因交流, 這可能與多棘海盤車具有較強的適應能力有關。根據海星綱物種的分化時間估算, 多棘海盤車物種的形成大約在8.0 Ma, 膠州灣樣本的種內變異大約發生在4.2 Ma。根據線粒體基因組的系統發育關系, 澳大利亞樣本(MZ435267)與膠州灣樣本親緣關系更近。20世紀80年代初多棘海盤車可能通過船舶的壓艙水從北太平洋跨越熱帶而引入澳大利亞塔斯馬尼亞東南部, 之后向北擴散, 1995年發現維多利亞州菲利普灣港已建立種群, 現已在菲利普港外又發現了四個種群(Inverloch、San Remo、Tidal River和Gippsland Lakes; 均在維多利亞州境內), 表明該物種目前正在擴大范圍(Richardson, 2015)。據報道, 多棘海盤車已經成為入侵南北極的潛在物種(Byrne, 2016)。適應是生命進化多樣化的核心特征和主要解釋, 因其復雜性和超長的時間尺度而難以開展研究(Battlay, 2023)。生物入侵是快速進化的典型模型(Reznick, 2001), 遺傳多樣性常用于指示進化適應的潛力(Lee, 2002)。促使入侵物種適應新環境的遺傳變化來自新突變還是遺傳變異是進化生物學中的一個關鍵問題, 這個問題的解答與理解入侵性的快速進化同樣重要(Hermisson, 2005)。Battlay等(2023)追蹤一種侵略性入侵的雜草時發現, 在富含平行適應特征的基因組區域中識別出具有多個特征的單倍型塊, 這些單倍體塊賦予其對當地氣候的平行適應的能力, 與快速適應性狀相關, 并在空間和時間上表現出顯著的頻率變化。多棘海盤車顯著的變異能力為研究進化適應提供了潛在的實驗材料。

4 結論

本研究比較研究了全球多個海域多棘海盤車樣本的單基因通用分子標記、線粒體基因組和核糖體基因簇的系統發育特征, 不僅揭示了中國海域多棘海盤車的遺傳多樣性, 同時也認識了全球多棘海盤車的遺傳特點。多棘海盤車種內具有極高的遺傳多樣性, 變異水平可能遠超現有實驗樣本所體現的水平, 這可能與其強大的適應能力有關。后續仍需要密切跟蹤多棘海盤車的遺傳多樣性特征, 下一步工作的重點是建立可用于多棘海盤車環境樣本eDNA宏條形碼分析的分析方法和數據平臺。

致謝 感謝中國科學院海洋研究所海洋大數據中心的支持; 感謝在2022膠州灣樣本采樣過程中青島市膠州市東營碼頭漁民胡大山在采樣工作中給予的支持和便利。

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MOLECULAR ANALYSIS OFFROM A STARFISH OUTBREAK IN JIAOZHOU BAY IN SUMMER 2022

WANG Jing1, 2, 3, DUAN Ze-Lin1, 2, 3, HE Zi-Yan1, 2, 3, 4, CHEN Nan-Sheng1, 2, 3, 4

(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Laoshan Laboratory, Qingdao 266237, China; 3. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

is a starfish species that can develop harmful outbreaks. This species belongs to the class Asteroidea and is widely distributed in the North Pacific Ocean, including the Yellow Sea and Bohai Sea of China, and Korea, Japan, and Russia. It has also been found in Tasmania, Australia likely as an invasive species. Large-scaleoutbreaks have been observed in many ocean regions with high density, causing negative impacts on local ecosystem and aquaculture. Since 2006, large-scaleoutbreaks have been observed in Jiaozhou Bay and adjacent ocean regions in Qingdao, Shandong Peninsula, China, causing big economic losses to shellfish farming. Genetic diversity ofin Japan, Russia, and Australia has been studied. However, up to now, little research has been carried out on genetic analysis ofsamples collected in Jiaozhou Bay, impeding the comparative analysis of the genetic evolution relationship of Jiaozhou Bay population with other populations in the globe. Twelve live samples from the starfish outbreak in Jiaozhou Bay in July 2022 and three samples collected in Lianyungang were analyzed. Their mitochondrial genome, ribosomal gene cluster, and multiple universal molecular markers were assembled and analyzed. Phylogenetic analysis based on the mitochondrial genome showed thathas high intraspecies genetic diversity. According to the estimation of differentiation time based on the protein-coding gene of mitochondrial genome, the intraspecific genetic differentiation ofmight occur in 1.7～4.2 Ma. Compared with the mitochondrial genomes, the sequences of the ribosomal gene clusters ofshow highly intra-species conservation and basically no intraspecific sequence difference was observed, indicating that the mitochondrial genome has a high resolution for.genetic diversity. This study constructed a variety of molecular markers of the disaster-causing species ofin Jiaozhou Bay for the first time, and in addition, developed high-resolution molecular markers that may facilitate accurate monitoring of the genetic diversity ofin Jiaozhou Bay and other sea areas.

; outbreak; genetic evolution; Jiaozhou Bay; mitochondrion; ribosomal gene cluster

* 泰山學者特聘專家計劃; 中國科學院戰略性先導科技專項B類, XDB42030201號; 泰山學者特聘專家計劃; 中國科學院率先行動“百人計劃”。王 靜, 助理研究員, E-mail: wangjing2019@qdio.ac.cn

陳楠生, 博士生導師, 研究員, E-mail: chenn@qdio.ac.cn

2023-03-02,

2023-07-14

S917

10.11693/hyhz20230300045