基于线粒体DNA的星斑光滑鲨（Mustelus asterias）种群结构与遗传多样性评估

《Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems》：Assessing the Population Structure and Genetic Diversity of the Starry Smooth-Hound Mustelus asterias, Using Mitochondrial DNA

　　

基于遗传分析的种群结构认知对于物种保护和渔业管理至关重要，尤其对于软骨鱼类（chondrichthyans）等脆弱类群而言，其生活史特征使其易受人为活动影响。星斑光滑鲨（Mustelus asterias）是一种中型底栖鲨鱼，分布于东北大西洋和地中海，其扩散模式和生活史性状的空间差异提示可能存在两个或多个生物学种群（biological stocks）。本研究对124个个体的线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）进行了遗传多样性、单倍型分布和遗传种群结构分析，以探究多个生物学种群的存在。研究人员对所有个体进行了包含主要编码区的约6千碱基对（kilo base pair, kbp）扩增子测序，并辅以78个个体的3.5 kbp扩增子（含大段非编码区）。大部分遗传多样性存在于采样区域内，而非潜在生物学种群之间。M. asterias的种群结构最佳解释为三个或五个遗传簇（genetic clusters），但这些遗传簇与采样区域或潜在生物学种群并无相关性。出乎意料的是，来自地中海的个体与东北大西洋的个体在遗传上相似甚至完全相同。遗传簇之间存在较大间隔，这在东北大西洋的板鳃类（elasmobranchs）中呈现独特模式。雄性介导的基因流、性别特异性归家行为（sex-specific homing behaviour）以及末次冰期后的空间扩张可能解释了所观察到的种群结构和先前记录的空间生活史性状差异。尽管未确认存在独立的生物学种群，但其归巢性（philopatry）使M. asterias易受局部（人为）胁迫因子的影响。

论文解读

一、研究背景与科学问题

有效的渔业管理依赖于对物种生物学数据的充分掌握，包括年龄、生长和运动生态学等信息。随着分子生物学和下一代测序技术的发展，遗传学手段已被应用于渔业管理实践。通过分子方法鉴定独立的生物学种群（biological stocks），即在同一限定地理区域内生活并形成自我维持繁殖单位的同种个体群，可以防止局部种群的过度捕捞并维持种群遗传多样性。遗传多样性的保留使物种能够适应气候变化等环境条件的改变。

板鳃类（elasmobranchs）包括鲨鱼、鳐鱼和鲼类，是一类软骨鱼类，由于其生活史特征——生长缓慢、性成熟晚、繁殖力低——对捕捞活动尤为脆弱。全球范围内34.5%的板鳃类物种被列为易危、濒危或极危。星斑光滑鲨（Mustelus asterias）是一种中型底栖鲨鱼，最大观测体长为154 cm全长（total length, T_L），为卵胎生物种，性成熟晚（6年）且寿命长（18年）。该物种主要栖息于东北大西洋和地中海的沿岸区域，但也见于离岸深水区。过去100年间其分布范围发生变化：该物种曾广泛分布于英吉利海峡并进一步向北扩散至（北部）北海，这很可能与海表温度升高有关；然而在地中海，该物种在20世纪50年代前数量丰富，此后渔获量显著下降，至20世纪90年代已从地中海大部分沿岸分布区消失，目前其在地中海的存在主要限于中部和东部区域。

目前M. asterias在东北大西洋和地中海被作为一个单一种群单元管理（尽管咨询建议中与其他Mustelus属物种合并考虑），在渔业管理方面被归类为数据缺乏。然而，近期研究发现两个地点的生活史特征存在差异，可能表明东北大西洋存在两个或多个M. asterias生物学种群。具体而言，爱尔兰海和凯尔特海捕获的雌性50%成熟体长（87 cm T_L）大于主要在南海和英吉利海峡捕获的雌性（82 cm T_L），而地中海的雌性50%成熟体长为96 cm T_L。此外，东北大西洋的产仔时间也存在差异：爱尔兰海和凯尔特海的幼体在4月至7月间捕获，而英吉利海峡和南海的幼体主要在2月以及7月至9月捕获。两项标志重捕研究也观察到了空间隔离：荷兰沿岸标记的个体未在爱尔兰海被重捕，爱尔兰海标记的个体也均在初始标记位置附近被重捕。生活史特征差异、繁殖异步性和空间隔离均支持M. asterias存在独立生物学种群的假说。

基于上述生活史和标志重捕研究，研究人员预期布里斯托尔海峡和爱尔兰海捕获的个体与英吉利海峡和南海捕获的个体在遗传结构（特别是单倍型分布）上存在差异；同时预期东北大西洋与地中海之间的遗传结构存在差异，因为地中海种群在20世纪经历了大规模衰退，预期其单倍型分布不同且有效种群大小较低。为验证这些假说，本研究利用线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）的多个区域进行分析。线粒体DNA为母系遗传，为种群结构研究提供了有效途径，而不同（非）编码区具有不同的突变率，从而提供不同分辨率的遗传结构信息。

二、研究设计与技术方法

研究人员从2007年至2022年间在东北大西洋和地中海的八个采样区域（比斯开湾、布里斯托尔海峡、英吉利海峡、爱尔兰海、北部北海、南部北海、西西里海峡和爱尔兰以西）获取了124个M. asterias鳍条样本，样本由比利时、荷兰、英国、爱尔兰和意大利的组织从垂钓者、商业捕捞和科学调查中机会性收集。尽可能使用幼体（≤40 cm，n=54，占43.5%）或大型雌性（≥84 cm，n=62，占50.0%）的鳍条样本。DNA提取后，对全部124个标本扩增了约6 kbp的mtDNA片段（包含l-rRNA（16S）、ND1、ND2和COI区域及九个tRNA），并对78个个体扩增了约3.5 kbp的片段（包含s-rRNA（12S）、三个tRNA、非编码控制区和一个未注释非编码区）。测序采用牛津纳米孔技术（Oxford Nanopore Technologies, ONT）平台，使用decona工具链进行聚类和校正。数据分析包括序列比对、单倍型网络构建、多样性指数计算（核苷酸多样性、单倍型多样性、AMOVA、Tajima's D、Fu's F和theta(S)）、有效种群大小估算、历史种群大小建模（fastsimcoal2）以及遗传聚类分析（BAPS和STRUCTURE）。

三、研究结果

多样性指数：6 kbp片段（5861 bp，124个个体）中发现52个多态位点（51个SNP和一个插入缺失），产生38个独特单倍型，单倍型多样性H=0.8655±0.0202，核苷酸多样性π=0.001281±0.000667。51个SNP中约三分之二（n=34）位于ND1、ND2和COI编码区（总长3577 bp，占扩增子长度的61%），其中6个位于第一密码子位、4个位于第二密码子位、24个位于第三密码子位，产生25个同义突变和9个非同义突变（均为错义突变）。最常见的单倍型H1见于29.0%的标本，H30见于16.1%，H25见于14.5%，H22见于8.1%。四个最常见单倍型在幼体和成年雌性中分布相似。非编码区（1925 bp，78个个体）共有81个多态位点，其中92.6%（n=75）位于非编码区，产生48个单倍型，单倍型多样性H=0.9690±0.0102，核苷酸多样性π=0.009630±0.004781。6 kbp片段和非编码区的单倍型累积曲线未显示渐近线，但COI基因的单倍型累积曲线达到了渐近线，表明COI区域采样深度充足。

AMOVA与种群分化：对全部八个采样区域和两个空间群组的AMOVA分析显示，6 kbp片段中大部分遗传变异来源于采样区域内（100.48%），采样区域内群组间变异为?1.05%，群组间变异为0.57%。非编码区呈现非常相似的模式，大部分变异来源于采样区域内（98.05%），采样区域内群组间变异为4.66%，群组间变异为?2.71%。各采样区域和两个空间群组的Tajima's D值介于?0.57802（南部北海，6 kbp片段）和1.57940（爱尔兰以西，非编码区）之间，均不显著。6 kbp片段和非编码区的Fu's F统计量均为负值（F=?9.59518，p=0.026；F=?10.69499，p=0.021），表明存在过量单态位点，可能由相对近期的种群扩张或较浅的采样深度引起。两个空间群组的Fu's F均为负值，但仅南部北海和英吉利海峡群组的非编码区片段显著（F=?7.80753，p=0.005）。

有效种群大小：6 kbp片段的theta(S)值为9.45590±2.53437，非编码区为12.78539±3.56747，两者差异显著（t=7.1812，p<0.0001）。两个空间群组的theta(S)值相似，在6 kbp片段（t=0.0692，p=0.9449）和非编码区（t=1.1474，p=0.2556）中均无显著差异。西西里海峡的theta(S)与东北大西洋其他采样区域无差异。基于theta(S)估算的有效雌性种群大小为：6 kbp片段576,199个雌性个体，非编码区2,374,524个雌性个体。

历史种群动态：6 kbp片段的fastsimcoal模型估算当前有效雌性种群大小为15,554、67,775和69,139（分别对应无、一次或两次种群大小变化）。一次变化的模型显著优于无变化的模型（X2 (df 2, n=124)=7.1426, p=0.0291），估算种群扩张发生在772和917代前。非编码区的模型估算当前有效雌性种群大小为71,027、475,645和260,272（分别对应无、一次或两次历史种群大小变化），最近的种群扩张发生在2682或3072代前。以4-7.5年的世代时间估算，种群扩张发生在约3200至22,500年前，与北海约10,000年前的快速冰消和海平面上升时间框架一致。

遗传聚类分析：BAPS在6 kbp片段中检测到五个遗传簇，在非编码区中仅检测到三个。STRUCTURE分析表明6 kbp片段和非编码区的遗传多样性最佳解释为三个遗传簇（K=3）。6 kbp片段的五个BAPS簇主要与四个最常见单倍型相关，第五个簇涵盖较少见的单倍型。三个STRUCTURE簇分别围绕三个最常见单倍型之一。两种聚类方法得到的遗传簇在各采样区域间广泛分布，遗传簇与采样区域之间无明显关系。6 kbp片段的BAPS和STRUCTURE聚类重叠度高，非编码区的BAPS和STRUCTURE聚类完全一致。6 kbp片段与非编码区的STRUCTURE聚类分配高度相关（Fisher检验p<2.2e-16），STRUCTURE_NCR_A的所有个体均分配到Cluster_6kbp_A，STRUCTURE_NCR_B的所有个体均分配到STRUCTURE_6kbp_B，STRUCTURE_6kbp_C的38个个体中有36个（94.7%）分配到STRUCTURE_NCR_C。

四、讨论与结论

本研究未能在M. asterias中确认多个生物学种群的存在。研究发现M. asterias在东北大西洋和地中海的mtDNA单倍型多样性较高，尤其是非编码区。观察到的单倍型多样性（6 kbp扩增子H=0.866，非编码区H=0.969）高于其他Mustelus属物种，这可能与本研究使用的片段长度远长于其他研究有关，也可能反映了物种的生态状况差异。核苷酸多样性在编码区与其他Mustelus属相当，但在非编码区更高。遗传簇与采样区域或空间群组之间未发现关系，地中海的标本与东北大西洋的标本在遗传上非常相似甚至相同，表明这些区域之间存在一定程度的连接和基因流。遗传簇之间的较大间隔（8-12个多态位点）在东北大西洋的板鳃类中呈现独特模式，可能由历史瓶颈清除大量单倍型后伴随种群扩张所致。

研究人员提出，雄性介导的基因流、性别特异性归家行为和末次冰期后的空间扩张可能解释了观察到的种群结构和生活史性状差异。由于交配地点未知，不同育幼区的雌雄个体可能在越冬地等场所混合交配；雌性可能更具位点忠实性并返回同一育幼区，而雄性可能较少受位点约束并介导基因流和遗传多样性。另一种可能是观察到的生活史性状差异（雌性50%成熟体长和产仔时间）属于表型可塑性，与环境条件相关。

尽管遗传学上M. asterias可被视为单一种群或生物学种群，但其生活史特征（晚熟和高寿命）和归巢性使该物种在不同区域内易受影响。在地中海尤其如此，该物种在20世纪下半叶数量严重下降，由于其归家策略，某一区域个体的损失不会轻易被其他个体替代。观察到的单倍型多样性高于其他Mustelus属物种，但核苷酸多样性与同属（极）濒危物种相当，强调了该物种的遗传脆弱性。综合而言，M. asterias可在其分布范围内作为单一管理单元进行管理，同时需要针对性的保护努力以维持遗传多样性和保护局部稳定性。未来研究可聚焦于核基因组分析，可能检测到雄性驱动的遗传多样性；如有可能，鳍条采集可与标志放流相结合，为M. asterias的遗传扩散和潜在繁殖区域提供更全面的认识。