美国引入泥鳅属（Misgurnus spp.）种群基因组学：多重单系谱系与遗传结构解析

《Limnologica》：Population genomics of Misgurnus spp. introduced to the United States

　　

水生入侵物种对美国生态系统和经济构成日益严重威胁。尽管湖泊和大河入侵受到较多研究关注，非本土溪流鱼类的生物学仍报道不足。塘鳅（泥鳅属 Misgurnus）原产于东亚大片浅水湿地和缓流水体，在当地被广泛养殖用于食用和观赏宠物贸易，但已成功定殖于从农业沟渠到泉水溪流的多种北美水道。该属已被引入美国22个州，并在12个州定殖，与包括与本土鱼类竞争和栖息地扰动在内的生态影响相关。研究人员开展了种群基因组分析，以表征引入种群的遗传多样性和结构。利用DArTseq?（多样性阵列技术测序）衍生的单核苷酸多态性（SNP）数据，研究人员检验了美国泥鳅属塘鳅之间的遗传同质性，并推断了引入事件之间的亲缘关系模式。系统发育基因组分析揭示三个单系支系，表明美国引入种群由多个不同谱系组成，而非单一来源。这些发现有助于更广泛理解这一生态问题属的种群基因组学，并支持保护北美淡水生态系统生物多样性的努力。

研究背景方面，水生入侵物种对美国生态系统与经济构成持续威胁，全球贸易、贸易流通和气候变化加速了非本土类群的引入与定殖。与湖泊和大河入侵相比，非本土溪流鱼类的生物学研究仍相对不足。塘鳅（泥鳅属 Misgurnus，Lacepède, 1803）原产于东亚浅水湿地和缓流水体，因食用养殖、观赏宠物贸易和钓饵利用而被引入世界多地。该属目前包含13个公认种，具有 elongated bodies 和肠道空气呼吸等适应特征，可在短暂或低氧水体中生存。其中 M. anguillicaudatus（Cantor, 1842）分布最广，栖息于从印度到西伯利亚和日本的湿地与溪流，通常占据浅水粉砂底质和水生大型植物床，取食底栖无脊椎动物和碎屑。该种已引入美国22个州并在12个州定殖，涉及从阿拉巴马泉水溪流到芝加哥城市运河等多样水体；实验研究提示其可提高浊度和氮水平，并减少对本土鱼类重要的水生无脊椎动物。其入侵成功与对极端环境的耐受性有关，如耐受超过80天干燥和饥饿、 icing、超过38 °C温度、低氧（< 2 mg/L）以及高氨浓度。近期的全球 horizon scan 项目将 M. anguillicaudatus 列为需要前瞻性管理的高风险物种。问题在于，泥鳅属分类仍未解决，受隐存种复合体、杂交和倍性变异影响；引入种群可能由来自不同本土区域的多条遗传谱系组成，从而影响入侵动态和入侵潜力。观赏宠物贸易常依赖多来源亲本和区域混合，选择性育种也可能改变遗传组成，因此有必要检验美国引入的 M. anguillicaudatus 是否构成单一遗传来源，还是由多个不同谱系或物种组成。研究人员据此开展种群基因组学研究，利用 DArTseq? 产生的 SNP 数据矩阵，对美国引入种群进行直接比较，以评估其单系性。研究结论显示，美国引入的泥鳅属塘鳅并非单一来源，而是包含三个单系支系，表明多次引入和多个遗传来源；这一结果可影响管理策略和对该入侵物种的整体认识，并为保护美国淡水溪流及本土物种提供信息。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员对美国8个州引入范围的 M. anguillicaudatus 组织样本（N = 85）和中国本土地点样本（N = 4）进行采集，并纳入水族店标本（N = 3）及外群 Pangio kuhlii（N = 1）和 Cobitis melanoleuca（N = 1）；样本来源包括鳍条 clip、博物馆/机构协作和先前列样。对94份DNA aliquot 使用 DArTseq?（一种双酶切限制性位点关联DNA测序，ddRADseq）进行基因分型，生成SNP矩阵；用16S rRNA基因测序和BLAST（基本局部比对搜索工具）确认物种身份；在R中用dartR过滤数据，以ade4、hierfstat、LEA、pegas和phytools进行种群结构、祖先系数、杂合度和系统发育分析；用IQ-TREE最大似然法、ModelFinder和UFBoot2（1000次重复）构建系统发育基因组树。

研究结果如下。

3.1 线粒体分析（Mitochondrial Analysis）：研究人员对每个主要采样种群中选取的个体进行16S rRNA基因测序，并用BLAST比对确认野外鉴定。结果显示，水族店标本对应 Misgurnus dabryanus（Dabry de Thiersant, 1872；100% identity），其余标本匹配 M. anguillicaudatus（100% identity）。该分析为后续种群基因组分析提供了物种身份确认。

3.2 种群基因组分析（Population Genomic Analyses）：DArT?基因组DNA文库测序最初获得85,139个位点、94个个体的原始报告；数据过滤后得到6,123个SNP、缺失数据2.46%。主成分分析（PCA，principal component analysis）识别出三个明显组：Group 1（NY、GA和AL）、Group 2（LA）和Group 3（OH、OR和IL），另有第四组包含Group 1与Group 3之间的混合个体。LEA祖先分析得到K = 3（cross-entropy = 0.38），支持PCA结果；北卡罗来纳、Cahaba River和Coosa River（阿拉巴马）标本中存在普遍遗传混合。成对固定指数（F_ST，fixation index）分析显示：ESU 1与ESU 2为0.31，ESU 1与ESU 3为0.61，ESU 2与ESU 3为0.54。所有种群的期望杂合度（H_e，expected heterozygosity）均高于观测杂合度（H_o，observed heterozygosity）：ESU 1为0.083对0.063，ESU 2为0.102对0.097，ESU 3为0.105对0.074。近交系数（F_IS，inbreeding coefficient）以ESU 3最高（0.295），ESU 1为0.241，ESU 2为0.050。基于这些一致结果，研究人员将三个进化显著单元（ESU，evolutionarily significant unit）界定为：ESU 1（GA、NY和Coosa River, AL）、ESU 2（LA）和ESU 3（OH、OR和IL）；Cahaba River（AL）和NC个体表现出高混合水平。

3.3 系统发育基因组关系（Phylogenomic Relationships）：质量过滤后，系统发育基因组数据集缺失数据降至5.25%，包含8,692个SNP位点。IQ-TREE最大似然系统发育基因组分析（最佳模型：TVM+F+G4）显示三个单系支系：1）New York（NY）与Georgia（GA；bootstrap = 100）；2）Louisiana（LA；bootstrap = 96）；3）Ohio（OH）、Oregon（OR）和Illinois（IL；bootstrap = 90）。外群包含水族店个体 M. dabryanus。该分析支持美国引入种群具有多个不同遗传来源。

讨论部分总结：种群基因组和系统发育基因组结果揭示美国采样引入范围内存在三个ESU，成对F_ST值超过高遗传分化阈值，并与PCA分组、LEA祖先比例和稳健的系统发育关系一致。三个ESU并不按美国所在区域结构；高bootstrap支持表明美国泥鳅属引入种群来自不同遗传来源。原文讨论指出，ESU 1与ESU 3个体存在遗传混合，而这两类群在引入范围并非同域分布，这种混合可能反映引入前水族贸易中的杂交；进一步解释混合路径需要本土亚洲谱系地理框架和更多个体及cytb等标记。杂合度方面，三个ESU中H_o均低于H_e，提示存在近交；ESU 2的F_IS较低，显示其遗传多样性高于其他ESU。原文指出不同测序方法、样本总数和SNP过滤会影响杂合度比较。由于水族贸易中选择性育种常见，低数量引入时近交可能发生；若美国种群高度近交，可能更易被清除；若该物种在近交下仍繁盛，则可能提示较强入侵潜力。管理上，理解近交和种群动态有助于将清除努力集中于隔离、低多样性种群。关于倍性，M. anguillicaudatus在野外从二倍体到六倍体不等，但直接评估倍性超出本研究范围，通常需要新鲜组织或活体标本；未来可用in silico方法筛查读深分布或异常杂合度，并需活体采样验证。管理意义方面，已有研究揭示该种对温度、低氧、干燥、饥饿和氨的耐受能力；多个ESU的存在增加了管理复杂性。M. anguillicaudatus未列入联邦Lacey Act injurious species，因而没有全国性禁止进口或州际运输；本研究仅覆盖8个引入州，受组织获取限制，可能低估全国遗传多样性和混合程度，未采样地点可能存在额外隐存谱系。未来需覆盖所有引入州、增加溪流网络内样本量，并纳入整个本土范围代表以解决泥鳅属系统发育。

研究结论翻译：本研究呈现了入侵物种 M. anguillicaudatus 在美国8个引入州的种群基因组学和系统发育基因组学结果。这些结果表明，泥鳅属塘鳅的三个ESU随时间侵入美国，为缓解和管理策略增加了复杂性。因此，本研究增进了对这种广泛贸易观赏鱼的认识。这些信息可用于保护美国淡水溪流及其本土物种。