同域分布脑珊瑚Diploria labyrinthiformis的季节性繁殖隔离揭示隐存谱系分化机制

本研究通过长达8年的野外监测和基因组分析，发现加勒比海濒危脑珊瑚Diploria labyrinthiformis存在春季和秋季繁殖的两个遗传分化谱系（FST=0.098）。尽管形态相似且同域分布，时间繁殖隔离（allochrony）有效阻断了基因流，而实验杂交证实配子兼容（无gametic incompatibility），表明季节异步化是维持隐存多样性关键机制。

　　

1 引言

在海洋生物中，生殖隔离通常由地理屏障驱动，但由于海洋环境中物理隔离较少，珊瑚等固着生物的物种形成机制尤为复杂。传统上，珊瑚物种多样性基于骨骼形态特征评估，但遗传学研究常揭示出更高的隐存多样性。表型可塑性、杂交和不完全谱系排序可能导致物种高估，而形态相似的隐存物种则会导致多样性低估。时间繁殖隔离（allochrony），即繁殖时间差异，是陆生物种中常见的隔离机制，但在海洋无脊椎动物中研究较少。本研究以加勒比海极危脑珊瑚^{Diploria labyrinthiformis}为对象，探究其季节性繁殖行为与遗传分化的关系。

2 材料与方法

2.1 研究地点与珊瑚种群

研究在库拉索岛Double Reef（12.106944°, ?68.94833°）进行，水深4–9米。2013年标记了40个^{D. labyrinthiformis}珊瑚群落，所有群落表面积大于100 cm2以确保性成熟。记录每个群落的深度并拍摄照片，以评估春、秋繁殖群体是否存在形态或深度差异。

2.2 繁殖记录

2013年至2021年间，共进行了79次潜水监测，记录了120次群落级产卵事件。监测在日落前1小时进行，从满月后9–14天开始每日观察。此外，收集了加勒比海20个地点的繁殖记录，以评估季节性繁殖模式的区域性。

2.3 基因组分析

2.3.1 样本收集

2013年至2019年间，收集了珊瑚精子和组织样本。通过帐篷网收集配子束，精子样本用乙醇保存。共获取51个群落的样本，其中46个成功提取DNA。

2.3.2 DNA提取

采用CTAB法提取DNA，并通过Qubit荧光计和琼脂糖凝胶电泳评估浓度和质量。

2.3.3 全基因组测序

使用NextRAD基因分型测序技术构建文库，在Illumina HiSeq 4000上测序，平均覆盖深度20×。通过BLAST筛查污染物，使用bbduk去除共生藻和细菌序列。使用SAMtools和BCFtools进行基因型调用，过滤后获得1481个中性SNPs。

2.3.4 单基因测序

测序核内含子^PaxC和^CaM，用于评估系统发育关系。使用Bayesian Inference和Maximum Likelihood方法构建系统发育树。

2.4 季节间杂交实验

2019年5月，使用冷冻保存的精子进行春、秋繁殖群体的杂交实验。实验包括5个处理组：季节间杂交（春卵×秋精）、春季对照（春卵×春精）、冷冻保护剂毒性对照、新鲜精子对照和无精子对照。每组设3个生物学重复和3个技术重复。受精后3–4小时评估受精率，跟踪胚胎发育、幼虫存活和附着情况。

3 结果

3.1 季节性繁殖的稳定性

监测显示，93%的群落（27/29）仅在春季或秋季繁殖，行为在8年间一致。两个繁殖群体在深度和形态上无显著差异（Kruskal–Wallis H-test: H=2.04, p=0.15）。

3.2 基因组分化

PCA分析显示春、秋繁殖群体沿第一主轴（12%方差）形成两个遗传簇，96%的群落与繁殖季节对应。Admixture分析支持两个遗传谱系，平均配对分化指数^F_ST=0.098。ML系统发育树也支持两个谱系的分化（97% bootstrap支持）。

3.3 单基因系统发育

^PaxC和^CaM序列分析显示春、秋繁殖群体形成单系群，但与近缘物种无清晰分化。

3.4 杂交实验成功

季节间杂交受精率达32%–78%，与春季对照无显著差异（GLMM, p>0.05）。幼虫发育和附着正常，表明无配子不兼容或早期合子后屏障。

4 讨论

4.1 近期分化

遗传分析表明春、秋繁殖谱系为近期分化，存在不完全谱系排序和杂交迹象。低^F_ST值和单基因未分化支持这一结论。

4.2 时间隔离机制

季节异步繁殖是主要隔离机制，类似现象在^Orbicella和^Acropora等珊瑚中也有报道。时间隔离有效阻止了自然条件下的基因流。

4.3 分化与分布 scenario

谱系分化可能由同域或异域分化引起，环境因素（如温度、光照）可能影响繁殖时间。区域分布可能由随机扩散和 founder效应驱动。

4.4 隐存多样性的保育意义

本研究强调隐存多样性对珊瑚保育的重要性。^{D. labyrinthiformis}的两个谱系均受SCTLD威胁，需独立保护。未来研究应揭示了珊瑚物种形成的机制和隐存多样性的分布。