基于Fleuve Manche古河流系统的被动扩散：地下水钩虾Niphargus boulangei（Amphipoda, Niphargidae）跨流域间断分布格局的形成

《Organisms Diversity & Evolution》：How an endemic became widespread: the peculiar situation of the groundwater amphipod Niphargus boulangei Wichers, 1964 (Amphipoda, Niphargidae)

　　

Niphargus boulangei（Amphipoda, Niphargidae）为Niphargus属北部大陆分布区的一种罕见地下水钩虾，长期仅知分布于Pas-de-Calais（法国海峡海岸）。近期的系统发育研究补充了来自Moselle（法国）和Wallonia（比利时）的记录。研究人员对西北欧可获得的但尚未鉴定的Niphargus进行了分子筛查，并整理了有关该物种生态学、遗传多样性和分布的全部现有信息。通过增加经遗传验证的标本，共可识别出11个种群，整体包含三个直接相连的COI单倍型，隶属于两个高度间断的分布区：Pas-de-Calais（法国海峡海岸；4个样点，含1个单倍型）和大区域（比利时Wallonia、卢森堡、法国Moselle；7个样点，含全部3个COI单倍型）。大区域内的大多数记录位于Meuse河流域内。解释所观察到的间断分布格局最可能的演化情景认为，Fleuve Manche古河流系统充当了被动载体，在冰期将大陆来源的沉积物向下游冲刷，直至抵达Weald-Artois背斜——一个对河流沉积物构成巨大地貌屏障的构造。Meuse河曾是这一古流域的支流，连接了大区域（潜在源种群）与Pas-de-Calais（潜在奠基种群）。然而，该物种总体较低的遗传多样性指向历史种群瓶颈事件，或提示核心种群可能尚未被发现。研究结果还支持以下假说：在西北欧，地下水钩虾可能不存在窄域特有现象。

研究背景方面，Niphargidae（Malacostraca: Amphipoda）是物种最丰富的地下钩虾科，已描述约430种，分布自西班牙延伸至伊朗，在欧洲南部分布区尤为丰富，多数物种分布范围小，常不足200 km，存在窄域特有现象；而在北欧（苏格兰、冰岛、挪威、瑞典、丹麦、芬兰及波罗的海国家）现生Niphargidae缺失，在西欧至中欧（法国北半部、BeNeLux国家及德国）则广泛常见，且随纬度升高物种数减少而个体分布范围增大。Niphargus boulangei自Wichers（1964）基于法国北部Pas-de-Calais（PdC）海峡海岸两个地点描述以来，60年间仅知于此；Stoch等（2024）新增PdC一处泉、比利时Wallonia的Rotheux-Rimière一处泉以及法国Moselle的Rettel附近农田排水渠三个地点，使已知分布区从数百米扩展至三个相隔最大欧氏距离超过350 km的独立地理区域，并通过系统发育重建将N. boulangei归入Niphargus kochianus clade，与Niphargus arndti和Niphargus ladmiraulti近缘，三者分化约始于晚古近纪25–40 mya。这些经遗传验证的新发现促使研究人员筛查采自大区域（GReg，以卢森堡为中心的跨境 euroregion，涵盖法国Grand-Est前Lorraine地区含Moselle省、比利时Wallonia地区以及德国Saarland和Rhineland-Palatinate联邦州）的分类学上未注释的Niphargus spp. DNA序列。尽管GReg地下水钩虾已有长期且多生境的广泛研究，但直至Stoch等（2024）之前N. boulangei未被记录。研究提出两个竞争性假说：假说1认为现今间断分布是较近期从一个区域向另一区域种群扩张的结果，长期持续存在的区域应具有更高的遗传多样性并作为长期避难所，且需推断出严格的穴居（stygobiont）物种的合理扩散机制，被动经主要河流系统运输可能促成由更连续核心分布区形成孤立卫星种群；假说2认为现今间断分布是历史种群灭绝事件所致，两个隔离种群年龄大致相同且遗传多样性相当，并需有解释中间区域种群区域性灭绝的环境因素。研究人员开展了分子筛查与信息整合研究，得出N. boulangei分布于11个样点、共3个COI单倍型、GReg为潜在长期持续区域而PdC为近期殖民的结论，并提出Fleuve Manche古河流系统被动运输的演化情景。其重要意义在于支持西北欧地下水钩虾可能不存在窄域特有现象的假说，并为海峡海岸地下水生物冰期避难所及不列颠群岛冰后期生物殖民讨论提供依据。技术方法上，研究人员于2012–2025年开展野外工作，在GReg合计调查20个地下水钻孔、71个间隙挖掘点、264处泉、10个洞穴和43个人工洞室，在法国最北部调查26处泉；采用COI条形码进行DNA分离与测序（方法参照Weber等2022），2025年采集标本另于波兰罗兹大学采用Oxford Nanopore Technology（ONT）MinION平台扩增子测序，单腿提取、Chelex法提取DNA、Dorado v1.4.0碱基识别、ONTBarcoder 2获得高保真共识序列并经BOLD Systems验证；使用Geneious Prime? 2025.0.3编辑与Muscle 5.1（PPP算法）比对，PopArt构建最小跨度单倍型网络；QGIS 3.34.8-Prizren进行地理空间可视化，并依据IHME1500 v1.1分析各样点含水层类型。结果方面，（1）分布数据：未能于模式产地（供水管）重新采到N. boulangei，可能归因于泉口和供水管中存在已知捕食小型niphargids的Gammarus；新增五个经遗传验证的种群并在地处Rettel附近的Drainage site采集到更多标本，五个新种群为Minière Doihl（卢森堡南部Minette地区前铁矿，从浸于缓流矿井水中的旧腐朽铁路枕木采得，距最近入口4,100 m处10号、420 m处9号、500 m处5号，7号经DNA条形码鉴定）、Ardoisière Laura（卢森堡Haut-Martelange前片岩矿，因采矿停止雨水淹没，2011年排水使水位由?15 m降至?25 m，形成距最近入口60–80 m的地下湖，以诱饵桶链过夜采样于2022年10月2–3日采得1号，条形码鉴定并保存于卢森堡国家自然历史博物馆MNHNL14197）、Minière Prince Henri（卢森堡南部前铁矿，分三层，N. boulangei全部来自?2层，距最近入口330、400、500、710、1560和1810 m，2025年8月采集）、"Source rue de l'eau"（沿天然泉人工开凿约20 m长的取水坑道，2025年6月5日在距垂直入口5 m的沉淀池检出2号经遗传验证标本）、Fontaine Saint Martin（重壤土石灰岩区的rhéocrene泉，自约40 cm深处取泥过筛，2号经条形码鉴定）；合计11个样点，PdC 4个、GReg 7个（卢森堡4、比利时Wallonia 2、法国Moselle 1），两区域最小欧氏距离约260 km（PdC至Fontaine Saint Martin）、最大约360 km（PdC至Rettel附近Drainage），GReg南北约125 km、东西约80 km，而PdC全部发现限于同一含水层且彼此距离不足10 km。（2）遗传数据：以Stoch等（2024）PdC模式产地COI参考条形码注释序列，共从6个采样点确认25号N. boulangei标本，合并分析揭示3个单倍型H1–H3，H1占优频率76%（22/29），H2为17%（5/29），H3为7%（2/29），H2与H3各与H1相隔一个突变步；两个较罕见单倍型仅见于单一样点，即H2见于Rettel附近Drainage（法国Moselle）、H3见于Fontaine Saint Martin（比利时Wallonia），其余样点仅含H1，而H2、H3所在两点均无H1。（3）生态数据：11个分布点中7个位于含水层类型4（"裂隙/岩溶型且低至中等生产力含水层"），例外为Source des Amoureux（比利时）和Ardoisière Laura（卢森堡）属类型6（"实际无含水岩石，孔隙或裂隙型"）、Rettel排水渠（法国）属类型5（"局部含水岩石，孔隙或裂隙型"）、Minière Prince Henri入口（卢森堡）属类型3（"裂隙/岩溶型且高生产力含水层"）；部分样点同一采样事件中检出其他niphargid物种，最常见为Niphargus schellenbergi（Rettel排水渠、Sources des Amoureux、Ardoisière Laura、"Source rue de l'eau"排水坑道），Minière Doihl和"Source rue de l'eau"排水坑道另检出Niphargus fontanus Spence Bate, 1859但处于不同微生境且距N. boulangei地点数百米，Minière Prince Henri的?2层同日在同一浸水木材上于距入口250 m和1560 m处发现N. fontanus与N. boulangei、500 m处发现N. boulangei与Microniphargus leruthi、1710 m处发现N. boulangei与Niphargus luxemburgensis，而N. schellenbergi见于入口0层但不在?2层。讨论部分总结如下：N. boulangei呈现两个明显分离的分布区，鉴于Stoch等（2024）指出该物种起源古老（约25 mya），该地理格局可解释为现今中断的历史上更连续分布区（涉及区域性种群灭绝，假说2）或较近期殖民某一区域（涉及主动和/或被动扩散，假说1）的结果；从遗传角度看，PdC仅含单倍型H1且与GReg五个地点共享，GReg另有两个各自与共享中心单倍型相隔一个突变步的独有单倍型H2和H3，分别仅见于Rettel（法国）和Han-sur-Lesse（比利时），考虑到GReg分布更广（125 km×80 km）且具两个额外单倍型而PdC分布局限（最大距离10 km）且仅含共享单倍型，GReg可被视为N. boulangei（反复）冰期持续生存的潜在区域，研究人员因而认为假说1更可能，即N. boulangei较近期殖民PdC但在GReg持续更久；但须强调总体仅检出三个直接相连的COI单倍型，对扩散能力弱的穴居钩虾而言在较大地理范围内遗传多样性如此之低值得注意，提示可能发生历史瓶颈事件致使GReg仅存小型残遗种群后扩张，或该物种实际核心分布区尚未揭示。GReg内除Rettel（法国）和Ardoisière Laura（卢森堡）地下湖（二者均注入Moselle河而属Rhine流域，后者紧邻Samois（Meuse）与Sauer-Moselle（Rhine）分水岭边界）外，已知种群均位于Meuse河流域；三个新发现种群见于深层地下微生境（Minière Doihl、Minière Prince Henri、Ardoisière Laura），尤其Minière Doihl距最近入口达4,100 m、Minière Prince Henri达1,810 m的腐木标本提示N. boulangei为地下特化种，从泉（或排水渠、水泵）采集的标本应归因于动物可能被冲出、泉仅提供物种实际生境的（采集）窗口；多数种群（64%）见于接受裂隙/岩溶型低至中等生产力含水层（类型4）来水的地下水依赖微生境，尽管该含水层类型仅覆盖目标区小部分，故可推测N. boulangei可能偏好此类含水层（通常由结晶或沉积深埋古老基岩构成）：PdC样点位于Upper Jurassic小地质岛（属更广阔Weald-Artois背斜一部分，这一巨大地貌屏障曾分隔大西洋水体与冰川融水），两个比利时样点和北卢森堡样点位于Rhenish Slate Mountains的Devonian板岩层，三个南卢森堡样点位于Minette地区铁矿区，而Moselle省排水渠样点位于Middle Triassic岩石（主要产生酸性砂岩）；除后者外所有样点均位于高钙质岩石，推测N. boulangei偏好石灰岩或至少高石灰含量的沉积层，这些层多为原生孔隙度低的古老基岩，地下水循环与孔隙度依靠较大裂隙和穹窿（次生孔隙度），N. boulangei可能在其演化史的漫长时期中持续存在于这些层（尤其GReg）少数且常隔离的裂隙和穹窿中。PdC与GReg多处地理分离的记录进一步支持以下假设：窄域特有地下水钩虾物种在欧洲北部和西北部非常罕见——如果存在的话；N. boulangei最远两点间最大欧氏距离约360 km（PdC与Moselle区域间），比南欧许多Niphargus物种分布更广，但明显小于北部地理区大多数niphargid物种，如N. fontanus 1,150 km、Niphargus puteanus（C.L. Koch in Panzer, 1836）756 km、N. schellenbergi 500 km、Niphargus tonywhitteni Fiser, Alther, Zaksek, Borko, Fuchs & Altermatt, 2018 400 km、Niphargus enslini S. Karaman, 1932 95 km以及Niphargus aquilex复合体许多近期描述种，上述类群均经遗传确认，可排除隐存种复合体造成的分布区人为膨胀；然而尽管N. boulangei现记录于11个样点，鉴于目标区广泛采样努力和所用整合分类学方法，该物种仍是西欧地下水动物中非常稀有的分类实体，发现更多种群和收集更全面遗传数据可为这一难觅穴居物种的演化史提供进一步见解。假定PdC近期殖民、GReg同时作为N. boulangei长期（较长期）持续区域（即冰期避难所）具有合理性，则问题在于这一地下栖息物种如何扩散至如此广阔地理区域；如同对其他同属物种的一般假设，Niphargus spp.种群或个体可能利用大河的"间隙高速公路"扩散并随后殖民邻近含水层，这可解释比利时Wallonia的"Sources des Amoureux"样点起源（邻近Meuse河，可能从GReg内Meuse流域上游种群获得奠基标本），然而Meuse流域唯一可用的上游样点Fontaine Saint Martin含样点特有单倍型H3而"Source des Amoureux"含H1；原则上邻近Moselle河的"Rettel附近Drainage"样点也可能经间隙高速公路殖民，但迄今未知上游种群且该样点含样点特有单倍型H2；最后不存在可直接连接PdC与GReg间断种群的（现存）大河，故研究人员倾向于拒绝"间隙高速公路"假说作为N. boulangei两个地理区起源的解释；但鉴于N. boulangei起源似较古老，需考虑古环境条件：Plio-Pleistocene冰期Meuse古河反复汇入Rhine古河并注入Fleuve Manche古河（即现今English Channel），冰期极盛时Fleuve Manche古河及其支流（如paleo-Thames、paleo-Seine、paleo-Rhine、paleo-Meuse和paleo-Elbe）覆盖欧洲大片区域共同注入大西洋，当时Fleuve Manche三角洲为沉积复杂的相当大冲积平原，形成非均质水文地质景观；冰期变暖（或间冰期开始）时反复发生（特大）洪水事件，将大量水和沉积物冲过流域下游地表和地下部分；法国海峡海岸的N. boulangei种群可能被向下游搬运经paleo-Meuse/paleo-Rhine并利用这一生态机会在近几个（间）冰期经历频繁环境变化的未殖民区域建立新奠基种群，该情景可由PdC全部种群限于10 km距离内和法国海岸单一地下水含水层以及PdC四个种群与GReg共享单一COI单倍型支持，故PdC奠基种群可能源自GReg向下游冲出的标本；有趣的是四个PdC样点向北直接连接Upper Quaternary相对年轻地质层（冰期和间冰期沉积物、河流沉积物及与第四纪最后阶段相关的其他表层物质，最大2.6 mya），这些沉积层由Weald-Artois背斜保留和形成，该背斜作为巨大古地貌屏障在冰期减缓并最终捕获Fleuve Manche古河尤其较粗沉积物，Fleuve Manche三角洲发育于该地貌构造下游并主要含细沉积物；类似间断分布格局（欧洲大陆核心分布但海峡海岸有孤立"卫星种群"）亦见于其他地下水钩虾物种，如Niphargus aquilex Schi?dte, 1855 sensu stricto、Niphargus luxemburgensis Weber, Weigand & Brad, 2025的clade F'以及Niphargus fontanus Spence Bate, 1859内的一些演化支系，巧合的是其中许多卫星种群同样位于Weald-Artois背斜的法国和英国沉积层内，这可视为支持Plio-Pleistocene冰期经Fleuve Manche古河系统活化水体对地下水钩虾（及其他水生生物）更普遍演化运输载体情景的证据，该情景在概念上类似于Ward和Palmer（1994）针对间隙小型底栖生物的"间隙高速公路假说"，是对海峡沿岸永久冻土区地下水生物冰期避难所存在性讨论以及不列颠群岛冰后期生物从何方向以多快速度殖民的一般性讨论的有价值补充。研究结论部分译文为：N. boulangei的多次且地理分离的PdC与GReg记录进一步佐证了以下假设——在欧洲北部和西北部，窄域特有地下水钩虾物种非常罕见（如果存在的话）。