海洋学与群体基因组学揭示两种地中海同域 topshell 物种（Phorcus articulatus 与 Phorcus turbinatus）的低自然连通性、船舶介导的长距离扩散及局部适应

《ICES Journal of Marine Science》：Oceanography and population genomics unravel low natural connectivity, ship-mediated long dispersal, and local adaptation in two Mediterranean sympatric topshell species

　　

当代气候变化正在重塑全球海洋生态系统。因此，理解群体连通性（population connectivity）和局部适应（local adaptation）如何与当代气候变化相互作用，对于预测生态系统恢复力（ecosystem resilience）和恢复至关重要。在此，研究人员调查了两种具有低扩散早期生活史阶段的同域潮间带腹足类——Phorcus articulatus 和 Phorcus turbinatus——在当代气候变化热点——地中海（Mediterranean Sea）——的基因组特征。研究人员从336份地中海标本生成了基因分型测序（genotyping-by-sequencing, GBS）数据，以揭示地中海范围内的连通性模式，并识别与环境相关的基因组变异。Lagrangian粒子追踪（Lagrangian particle-tracking）模拟揭示了强烈的短期幼虫滞留（larval retention）和盆地尺度隔离（basin-scale isolation）。相应地，基因组数据表明存在显著的东-西群体结构（east-west population structure），其中 P. articulatus 表现出比 P. turbinatus 更强的群体分化（population differentiation）。然而，研究人员在若干遥远地点之间发现了意外的遗传亲缘关系（genetic affinities），表明近期存在人类介导的连通性（human-mediated connectivity），最可能通过海上运输（maritime transport）。研究人员还发现了对比鲜明的基因组结构（genomic architectures）和不同的适应性响应（adaptive responses）。具体而言，基因型-环境关联（genotype-environment association）分析鉴定出 ～600 个可能受到选择的高质量 SNPs（single nucleotide polymorphisms，单核苷酸多态性）。这些位点在物种间显示有限重叠，表明为克服相似环境压力而采取了趋异的进化策略：P. articulatus 显示出仅由温度驱动的局部适应证据，而 P. turbinatus 显示出涉及温度和盐度的适应性关联。研究结果表明，鉴于 P. turbinatus 具有更高的群体连通性和适应多种胁迫源（stressors）的能力，其将比 P. articulatus 对未来气候条件更具恢复力。这些发现强调了开展同时包含比较群体基因组学（comparative population genomics）和海洋学建模（oceanographic modelling）的研究，以理解当代气候变化如何在物种分布范围内塑造进化动态的重要性。

当代气候变化是地球生命变化的主要驱动力，海洋表层水已较工业化前全球平均升温 ～1°C，并预计继续升温 1°C–3°C。许多生物已接近热限，极端天气和海洋热浪可消灭局部种群，其恢复取决于群体连通性与局部现有遗传变异。然而，当代气候变化如何影响群体连通性（population connectivity，指种群间个体或配子交流程度）和适应性基因组多样性仍不清楚。低扩散地中海物种常显示东西盆地分化，这与洋流调节幼虫补充和存活有关；基因组数据有助于理解精细尺度分化、相互作用和局部适应（local adaptation，指种群对本地环境的选择性适应），但人类介导的基因型转移会干扰自然模式，产生偏离阶梯石模型的异常结构。地中海是气候变化热点，升温速率为全球海洋平均 2–3 倍，生物已受海洋热浪质量死亡影响，因此需识别更可能恢复的种群。Phorcus turbinatus（Born 1778）和 Phorcus articulatus（Lamarck 1822）是地中海东西盆地优势同域潮间带腹足类，具低扩散早期生活史，且 P. articulatus 偏好隐蔽、潟湖或水池栖息地，P. turbinatus 偏好浪击暴露岩岸，生态位重叠小。实验室估计 P. turbinatus 浮游幼虫期约一周，提示扩散有限。因此，研究人员整合海洋学与群体基因组学，研究两物种连通性、人类介导扩散和局部适应，以评估其在当前和未来气候变化下的表现。

研究人员于2021—2022年从12个地中海地点采集128份 P. turbinatus 和208份 P. articulatus，覆盖西部与东部盆地。主要方法包括：GBS 建库并在 Illumina NovaSeq 6000 平台以150-bp双端策略测序；将 reads 比对到 Phorcus lineatus 参考基因组（NCBI Genome Accession: GCA_921293055），过滤后分析核与线粒体 SNPs（single nucleotide polymorphisms，单核苷酸多态性）。Lagrangian粒子追踪使用 HadGEM3-GC3.1 气候模型，模拟 RCP8.5 情景下2025和2050年、7天与90天浮游幼虫期扩散。环境数据来自 Copernicus 的 MEDSEA_ANALYSISFORECAST_PHY_006_013 海表温度与盐度。统计包括MDS、F_ST、π、Tajima’s D、iDlG、LD、局部MDS、RDA/pRDA 和基因型-环境关联分析。

结果部分：

Particle tracking modelling（粒子追踪建模）：7天模拟中颗粒紧贴释放点，位移小，部分可达100 km；90天模拟中颗粒沿上层海洋流广泛扩散，连接邻近100 km和中等400 km区域，但仍严格局限于西部或东部盆地，无盆地间交换。2025和2050结果相似，提示近未来气候变化不改变两物种扩散和连通性模式。

Genotype and genotype curation（基因型与基因型整理）：空白样本 reads 远低于 Phorcus 样本，说明提取、建库和测序无明显污染。过滤后联合数据集保留142,068个 SNPs；P. articulatus 保留218,293个 SNPs，P. turbinatus 保留102,318个 SNPs。联合数据集平均覆盖度为270.68X，P. turbinatus 为190.15X，P. articulatus 为352.90X；第4板覆盖度显著更高。

Sample identification, population structure, and genetic diversity（样本鉴定、群体结构与遗传多样性）：核与线粒体 MDS 识别出两个物种的遗传分化。P. articulatus 中，第一轴将西部 Fornells 与所有东部地点分开，Livorno 与东部聚类；东部存在子结构，Cyprus 样本形成独立簇，Crete 与 Achziv 聚类，Livorno 与 Shikmona 聚类，Achziv 与 Shikmona 虽相距约20 km 仍略分开；西部无子结构。P. turbinatus 也显示东西分化，Livorno 与东部聚类；东部 Cyprus 两地点聚类，Shikmona、Achziv、Crete、Livorno 形成另一簇；西部 S’Arenal 与 Iberian 地点分开。线粒体数据中，P. articulatus 基于92个 SNPs，P. turbinatus 基于178个 SNPs；西部单倍型更丰富，P. turbinatus 整体单倍型和 SNP 多样性更高，线粒体数据模糊东西分化。F_ST 分析显示两物种全基因组分化，多数值在0.8–1；P. articulatus 种内 F_ST 极大，π 接近0.005，Tajima’s D 达 ～4.5；P. turbinatus 的 F_ST、π 和 Tajima’s D 较低。

Species-specific chromosomal linked regions（物种特异性染色体连锁区域）：iDlG 显示两物种存在双基线趋势。P. articulatus 东西样本在所有染色体替代基因型频率不同，西部约30%，东部约40%；3号染色体 ～21–25 Mb 有大区域突然分歧，5号染色体 ～24–25 Mb 有潜在分歧选择信号，东西信号交叉。LD 分析在24,023,980–24,220,843区域显示 R² 接近1，提示可能倒位；局部 MDS 显示三簇，可分为 AA、AB、BB，F_ST 接近1，但倒位未在任何地点固定。P. turbinatus 未发现大型连锁区域或分歧适应信号。

Environmentally-driven local adaptation（环境驱动局部适应）：pRDA 显示，P. articulatus 仅海表温度最大值和最小值解释遗传变异，第一轴解释13.34%，第二轴3.16%；Liopetri 和 Fornells 与温度正相关，Crete 负相关。P. turbinatus 与最大海表温度、最小海表温度、平均盐度和盐度范围相关，第一轴解释5.09%，第二轴1.5%。RDA/pRDA 共享 outlier SNPs 中，P. articulatus 的289个 SNPs 全部与最低海表温度相关；P. turbinatus 的338个 SNPs 中，128个与最低海表温度、45个与最高海表温度、125个与盐度范围、40个与平均盐度相关。两物种 outlier SNP 位置无重叠，大多数相距超过1000个氨基酸，共享 SNP 的所有配对超过10,000个氨基酸，不支持平行进化。

讨论部分总结：Natural connectivity and colonization patterns of Phorcus species 指出，核 SNPs 显示东西盆地分歧，线粒体显示西部单倍型更丰富；P. turbinatus 总体遗传多样性更高，可能扩散潜力较高。P. articulatus 在东地中海有两个线粒体单倍群，P. turbinatus 有一个主导群；可能存在古代由西向东迁移。东西盆地种群应作为独立生物单元。P. articulatus 的 F_ST 更高，扩散更低，灭绝风险更高。Evidence of long-distance human-mediated colonizations 指出，Livorno 和 Crete 与 Shikmona、Achziv 匹配，而相距超过1000 km，不能用自然阶梯石扩散解释；港口、压载水或船体污损可能介导基因型转移，形成同种“隐性入侵”，本地基因型可能被替换。Genomic evidence for species-specific adaptations to environmental conditions 指出，两物种基因组差异大；P. articulatus 有3号染色体可能多态倒位和5号染色体选择区，适应主要受温度驱动；P. turbinatus 无倒位，适应涉及温度和盐度；二者无平行进化，可能与栖息地分化有关。

结论（翻译）：研究人员的研究表明，将同域同属物种纳入群体基因组研究，并结合海洋学粒子追踪，可提供高度稳健的连通性研究。研究发现强群体结构，将采样地点分为东西地中海两个组，并存在一定子结构，表明 P. articulatus 和 P. turbinatus 在地中海自然连通性较低。这种强的盆地和亚盆地结构使两物种在极端事件如强海洋热浪或石油污染面前易发生局部或区域灭绝，因为从远源恢复缓慢。研究人员在 Crete 和 Livorno（西地中海）发现来自最东地中海的基因型，表明人类造成显著基因型转移。此外，研究人员从 GBS 数据恢复了线粒体标记，这些在使用简化代表基因组学的群体基因组研究中常被忽视。线粒体数据集对强化引入事件和盆地间分裂证据至关重要，但未能识别地中海盆地内子结构。研究人员鉴定出两个可能对应大染色体重排（可能倒位）和适应性选择清除的关键基因组区域，以及约600个可能驱动局部适应的位点。未来研究应完善 P. lineatus 基因组资源，并获得 P. articulatus 和 P. turbinatus 的注释参考基因组，以进行比较基因组学并更高分辨率分析两物种。最后，鼓励在地中海和其他地区使用综合基因组-海洋学方法，以更好理解受当代气候变化威胁物种的进化和功能连通性模式。