肯尼亚血吸虫媒介螺核基因组变异与线粒体基因组结构解析揭示物种复杂性

本研究通过流式细胞术、高通量测序和形态计量学，首次揭示肯尼亚Bulinus螺类核基因组大小存在显著变异（0.76–1.98 pg），提出B. africanus类群存在未被识别的基因组扩张或多倍化现象；解析14个线粒体基因组（mitogenome）新序列，发现tRNA-D位置差异定义的DCF/CF两种结构类型；证实传统形态学方法难以区分近缘种，为血吸虫病媒介的细胞遗传学（cytogenetics）、多倍化（polyploidy）及演化研究提供关键数据。

　　

研究内容归纳

引言

淡水螺类Bulinus是非洲泌尿生殖系统血吸虫病（由Schistosoma haematobium引起）和肠道血吸虫病的关键中间宿主。其分类长期依赖形态学特征，但多数物种缺乏明确鉴别性状，导致物种数量界定存在争议（从120余种缩减至当前公认的37种）。传统细胞遗传学研究将Bulinus分为四类：africanus类群（10种）、forskalii类群（11种）、reticulatus类群（2种）及truncatus/tropicus复合体（14种），其中前三类为二倍体（2n=36），末类含多倍体（4n–8n）。分子研究虽部分解决了系统关系问题，但基因组数据仍较匮乏。

材料与方法

样本采集：2013年11月与2024年1月在肯尼亚14个地点（覆盖东部海岸、中部及维多利亚湖区域）采集螺类样本（图2），基于线粒体DNA（mtDNA）系统发育确定物种身份。

核DNA含量分析：使用碘化丙啶流式细胞术测量单螺C值（单倍体基因组DNA质量），以豌豆（Pisum sativum，9.02 pg）或玉簪（Hosta）为内参，Biomphalaria glabrata iM系（约1.10 pg）为质控。

线粒体基因组测序：结合Illumina短读长与PacBio HiFi长读长技术，通过MITOBIM、NOVOPlasty等工具组装mitogenome，MITOS2注释基因。

形态计量学：测量11项螺壳参数（如壳长L、壳宽W、孔径A），计算7项比例指标（如L/W、A/L），主成分分析（PCA）评估分类效力。

结果

核基因组变异：

• 16个样本（含14种Bulinus）C值跨度达0.76–1.98 pg（表1，图3）。

• B. forskalii类群C值最低（0.76 pg），truncatus/tropicus类群中四倍体B. truncatus为1.82 pg，二倍体B. tropicus为1.03–1.32 pg。

• africanus类群变异显著：6个B. globosus样本C值跨度1.43–1.98 pg（西部肯尼亚BuG2达1.98 pg，超越四倍体B. truncatus），B. ugandae（1.33–1.46 pg）和B. nasutus（1.41 pg）亦高于其他二倍体物种（如Biomphalaria spp. 0.91–1.11 pg）。

线粒体基因组特征：

• 14个新mitogenome（长度约14.3 kb）含13个蛋白编码基因（PCGs）、22个tRNA基因和2个rRNA基因，PCGs顺序保守。

• 基于tRNA-D位置分为两型：DCF型（Asp-Cys-Phe串联，见于forskalii类群和truncatus/tropicus复合体）和CF型（Cys-Phe串联，D位于YDWGHQL区，见于africanus类群）（S1 Data）。

系统发育分析：

• 基于20个mitogenome的ML树显示：africanus类群与truncatus/tropicus复合体聚为一支，forskalii类群为基部分支（图4）。

• COX1基因（611 bp）系统发育支持B. globosus、B. ugandae和B. nasutus的紧密关系，并表明维多利亚湖深水样本BuTp7A（C值1.32 pg）归属B. tropicus（图5），揭示B. globosus存在谱系分化（如BuG1与BuG5遗传距离较远）。

形态计量学局限性：

• PCA分析中，forskalii类群可区分（PC1贡献40.1%），但africanus和truncatus/tropicus类群严重重叠（图7），二倍体B. tropicus与四倍体B. truncatus无法通过螺壳特征区分（S3表）。B. globosus不同地理种群形态无显著差异（S1–S2图）。

讨论

核基因组动态演化：

• africanus类群（尤其B. globosus）的C值变异暗示二种未被认知的演化机制：

  1. 基因组扩张：若维持二倍体（2n=36），则需解释为何其C值（1.33–1.98 pg）显著高于基础二倍体如B. forskalii（0.76 pg）或Biomphalaria（0.91–1.11 pg）。

  2. 多倍化：部分B. globosus样本C值（1.98 pg）超越四倍体B. truncatus（1.82 pg），暗示可能存在三倍体或更高倍性。肯尼亚种群遗传学研究曾提示B. globosus含多倍体，需核型分析验证。

• 多倍化可能影响宿主-寄生虫互作（如广谱抗性），但Bulinus多倍体起源机制（杂交或自体加倍）仍未知。

线粒体基因组系统意义：

• DCF/CF结构分型支持forskalii与truncatus/tropicus类群的近缘关系，与mitogenome系统树一致（图8A），但和COX1或核ITS序列拓扑（图8B–C）冲突，凸显单基因标记的局限性，需全基因组数据厘清类群关系。

分类学启示：

• B. globosus的C值变异（1.43–1.98 pg）、遗传分化及广泛地理分布支持其为"物种复合体"（species complex），需整合基因组学重新界定物种边界。

• 形态学在近缘种鉴别中失效（如B. tropicus与B. truncatus），强调分子鉴定在流行病学研究中的必要性