基于六个新线粒体基因组揭示蟹守螺超科的系统发育与适应性进化

《Scientific Reports》：Adaptive evolution and phylogeny of cerithioid gastropods with six new mitogenomes

本研究针对蟹守螺超科(Cerithioidea)系统发育关系不清和适应性进化机制不明的问题，通过对Batillariidae和Potamididae科六个物种进行线粒体基因组测序，结合系统发育分析和选择压力检测，揭示了该超科分为两大主要支系，发现ND6基因存在正选择信号，并提出历史气候事件通过影响线粒体基因组进化推动了该类群的生态适应与多样化。研究成果为理解海洋无脊椎动物的适应性进化提供了新见解。

　　

在浩瀚的海洋生物世界中，有一类名为蟹守螺超科(Cerithioidea)的腹足类动物格外引人注目。它们不仅形态多样，更令人惊奇的是其广泛的生态分布——从广阔的海洋到半咸水的河口区域，甚至深入到淡水环境，几乎遍布全球热带和温带水域。这种跨越不同盐度环境的生存能力，使蟹守螺成为研究软体动物适应性进化的理想模型。然而，尽管其生态重要性显著，科学界对这类生物的系统发育关系和进化历史仍知之甚少，特别是不同科属之间的亲缘关系存在诸多争议。

更令人困惑的是，蟹守螺如何适应从海洋到淡水的不同环境？它们的线粒体基因组是否在适应不同生境过程中发生了特异性改变？这些问题的答案对于理解生物如何响应历史气候变迁和环境压力具有重要意义。传统上，线粒体基因组因其相对保守的结构和较高的进化速率，已成为研究生物系统发育和适应性进化的有力工具。

正是在这样的背景下，Shin C.R.、Choi E.H.和Hwang U.W.等研究人员在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们通过对Batillariidae和Potamididae两个科的六个蟹守螺物种进行完整的线粒体基因组测序，结合已有的基因组数据，试图解决蟹守螺超科的系统发育关系，并探索其线粒体基因组的适应性进化信号。

为了开展这项研究，研究人员采用了几项关键技术方法。他们从韩国西部和南部海岸的潮间带采集标本，通过下一代测序技术(NGS)获得完整的线粒体基因组，使用NOVOPlasty进行基因组组装，MITOS和tRNAscan-SE进行基因注释。系统发育分析采用最大似然法(ML)和贝叶斯推断(BI)方法，选择压力分析使用PAML的CodeML和HyPhy软件包，分歧时间估算则通过BEAST软件完成。

线粒体基因组和六个蟹守螺物种的组织结构

研究人员成功测序并注释了六个蟹守螺物种的完整线粒体基因组，包括两种Batillaria（Batillariidae）以及Cerithidea、Cerithideopsis和Pirenella属的四个物种（Potamididae）。这些基因组长度在15,531-16,218 bp之间，均包含13个蛋白质编码基因(PCGs)、22个转移RNA(tRNA)基因和2个核糖体RNA(rRNA)基因，这是软体动物线粒体基因组的典型特征。

所有物种均表现出明显的A+T偏向性（62.51%-65.56%），这与其它软体动物线粒体基因组报道的模式一致。AT偏斜值在所有物种中均为负值，表明胸腺嘧啶(T)的比例高于腺嘌呤(A)。密码子使用分析显示，六个蟹守螺物种表现出相似的密码子使用模式，在第三密码子位置明显偏好使用A或T。值得注意的是，尽管聚类模式与系统发育关系不完全一致，但淡水和海水/半咸水物种倾向于形成独立的组，这表明密码子使用偏好可能与栖息地类型存在潜在关联。

蟹守螺超科的系统发育关系

基于三种数据集（PCGs+rRNAs、PCGs和氨基酸）构建的系统发育树显示，ML和BI分析获得了一致且高度支持的拓扑结构。所有主要的蟹守螺科（Batillariidae、Potamididae、Semisulcospiridae等）均显示为强支持的单一系群。然而，与Batillariidae相邻的某些分类群（如Turritellidae、Pachychilidae）表现出不稳定的位置和较弱的支持值。

一个关键的发现是，系统发育分析一致支持蟹守螺超科分为两个主要谱系：一个包括Turritellidae、Cerithiidae、Pachychilidae和Batillariidae，另一个包括Semisulcospiridae、Pleuroceridae、Potamididae、Thiaridae、Hemisinidae和Paludomidae。特别值得注意的是，Potamididae在几乎所有树中都是Semisulcospiridae的姐妹群，尽管这一节点的支持值较弱。

尽管PCGs的排列在整個蟹守螺超科中基本保守，但tRNA的组织在最早的分歧点就出现了变异。这种变异主要表现在trnQ和trnR等tRNA基因的位置和链取向不同，可能反映了谱系特异性的易位事件，这些重排可能是通过复制-随机丢失模型(DRLM)积累形成的。

线粒体蛋白质编码基因的适应性进化

选择压力分析显示，除了少数基因在特定谱系中显示出Ka/Ks比值大于1（提示可能的正选择）外，大多数PCGs的Ka/Ks比值均小于1，表明存在强烈的纯化选择。其中，cox1的平均Ka/Ks比值最低（约0.007），反映了高度的保守性。

多种分析方法（FUBAR、MEME、aBSREL）在nad6基因中检测到正选择信号。位点模型分析发现nad6中有三个密码子被FUBAR和MEME一致鉴定为受正选择。分支位点模型分析确定了三个经历阶段性多样化选择的分支（p < 0.05）。在Branch#1（大致分隔淡水和海洋物种的分支）中，大多数受选择位点位于nad2和nad6；Branch#2（标记Potamididae分化的分支）在cytb中有一个受选择密码子；Branch#3（标记Cerithidae分化的分支）显示出最多数量的正选择位点，主要位于nad2、nad4和nad6。

研究人员使用AlphaFold对ND6蛋白进行结构预测，发现该蛋白的基本α-螺旋和跨膜结构域是保守的，而无序区域表现出一定变异。这表明尽管ND6的基本结构保持稳定，但适应性变化可能发生在更灵活的区域，反映了对不同环境条件的功能适应。

分歧时间估算

分歧时间分析表明，Ampullarioidea和Cerithioidea的分化发生在侏罗纪之前（346.23-194.88百万年前）。蟹守螺超科内的两个主要谱系在中侏罗世至早白垩世（170.03-127.25百万年前）发生分离。科级水平的分化主要发生在白垩纪中期，而属级和种级多样化在白垩纪晚期至古新世达到高峰。Batillaria属在中新世之后经历了快速多样化。

一个有趣的发现是，主要蟹守螺科的分化时间与历史上的高温期（如白垩纪热极值期CTM和古新世-始新世极热事件PETM）相吻合。这表明全球变暖事件可能通过削弱地理和生态障碍（如盐度梯度），促进了蟹守螺从海洋到半咸水和淡水环境的生态转变。

研究结论与意义

这项研究通过对六个新测序的线粒体基因组进行综合分析，为蟹守螺超科的系统发育关系和进化历史提供了新的见解。研究不仅确认了该超科分为两个主要谱系，还揭示了线粒体基因组结构变异和适应性进化信号。

特别值得关注的是，ND6基因被鉴定为适应性进化的热点，尤其是在可能增强环境压力下灵活性的无序蛋白区域。这些发现强调了历史气候事件和栖息地波动如何影响广盐性腹足动物线粒体基因组的进化，为理解环境变化与分子进化之间的关联提供了重要证据。

研究的另一个重要意义在于，它揭示了全球变暖事件在促进生物多样性形成中的双重角色。一方面，极端气候条件可能导致生物灭绝事件；另一方面，它们也可能通过改变生态环境而创造新的生态机会，促进 lineage 多样化和生态位扩张。

这项研究不仅为蟹守螺超科提供了一个精细的系统发育框架，也为理解线粒体基因组在环境适应中的作用机制提供了新视角。未来整合全基因组测序、古环境建模和更全面的分类群取样将进一步揭示蟹守螺的进化轨迹以及历史气候变化如何影响 lineage 特异性适应。