基于形态学和分子数据的坦桑尼亚海草物种多样性

《Nordic Journal of Botany》：Seagrass species diversity in Tanzania based on morphological and molecular data

　　

沿着坦桑尼亚海岸的海草多样性主要通过形态学记录，但坦桑尼亚和更广泛的西印度洋地区可用的分子参考数据有限。本研究将形态学鉴定与核糖体内部转录间隔区（ITS）和质体核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基（rbcL）标记相结合，以评估坦桑尼亚海草的物种多样性和系统发育关系。野外调查鉴定出12种海草，并生成ITS（n=84）和rbcL（n=116）序列，与印度-太平洋参考序列一起进行分析。ITS区分了所有形态学鉴定的物种，而rbcL仅区分了10种，未能区分Halophila和Halodule属内的近缘种。分子分析证实，形态学对大多数物种是可靠的，但在形态相似物种中发现了反复的误分类。坦桑尼亚的序列与更广泛的印度-太平洋谱系聚集，表明区域分化有限。这些发现加强了西印度洋的分子参考库，并为未来的分类学、生物多样性监测、代谢条形码和环境DNA应用奠定了基础。

**论文解读：基于形态与分子数据的坦桑尼亚海草物种多样性研究**

**研究背景与问题**

海草（seagrass）是适应完全淹没状态的海洋被子植物，分布于全球热带和温带沿海系统，约有72种12属。热带印度-太平洋地区多样性最高，约24种。在西印度洋（Western Indian Ocean, WIO）地区，早期基于野外观察和标本馆收集的物种调查记录了约12–13种。坦桑尼亚沿岸及近海岛屿的初始名录报告了8–10种，后续评估增至12种，但这些记录主要依赖形态学鉴定，缺乏独立验证。形态学特征易受光照、水动力和底质等环境条件影响，导致性状重叠和物种界定不确定性，尤其在Halodule和Halophila属中，近缘种如Halodule wrightii与Halodule uninervis、Halophila minor与Halophila ovalis的形态相似，而生殖特征很少观察到，加剧了分类困难。例如，坦桑尼亚历史上记录的Halodule wrightii后被证实是对H. uninervis的误鉴。此类分类不确定性限制了海草多样性、分布和保护的准确评估。此前，坦桑尼亚海草物种在全球DNA数据库中代表性不足，阻碍了基于DNA的代谢条形码（metabarcoding）和环境DNA（eDNA）监测等分子工具的应用。因此，亟需结合形态学和分子数据，系统评估坦桑尼亚海草物种多样性，并建立区域分子参考数据库。

**研究开展与结论**

研究人员收集了坦桑尼亚沿海（Tanga、Dar es Salaam、Mtwara、Pwani、Pemba岛、Unguja岛）12个物种的标本，综合形态学鉴定与核糖体内部转录间隔区（internal transcribed spacer, ITS）和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase large subunit, rbcL）序列进行了系统发育分析。研究确认了12种海草的存在，ITS标记区分了所有物种，而rbcL仅区分10种，未能分离Halophila和Halodule内的近缘种。分子数据揭示了形态学鉴定在多数物种中可靠，但在Halophila ovalis与H. minor、Halodule uninervis与H. pinifolia等形态相似类群中存在反复误分类。坦桑尼亚序列与印度-太平洋参考序列聚在一起，未形成显著的区域分支，表明有限的遗传分化。研究生成了84条ITS和116条rbcL序列，显著提升了西印度洋地区的分子参考覆盖。这些数据为未来分类学、生物多样性监测、代谢条形码和eDNA应用提供了基础。该论文发表在《Nordic Journal of Botany》。

**主要关键技术方法**

研究人员于2020年8月至2022年2月期间，在坦桑尼亚大陆海岸和近海岛屿（Tanga、Dar es Salaam、Mtwara、Pwani、Pemba岛、Unguja岛）的潮间带和潮下带采集海草标本。形态学鉴定采用实体显微镜和数码相机，依据标准分类检索表和物种描述。分子分析方面，提取叶片总DNA，通过PCR扩增核ITS1-5.8S-ITS2区域和叶绿体rbcL基因，产物经Sanger测序。使用MAFFT进行多重序列比对，利用BEAST软件进行贝叶斯系统发育重建，选择最适替换模型，运行MCMC链2000万代，丢弃10%作为预烧期，经Tracer验证收敛后生成最大分支可信度树。

**研究结果**

**海草物种的形态学鉴定：** 研究人员通过形态学检查，在坦桑尼亚识别出12种海草，分属Hydrocharitaceae、Cymodoceaceae和Zosteraceae科。鉴定依据包括叶形、脉序、叶尖形态、叶鞘结构和根茎特征。在Hydrocharitaceae内，Halophila ovalis与H. minor因叶片大小和叶脉数量重叠而难以区分，而Halophila stipulacea、Thalassia hemprichii和Enhalus acoroides有明显区别。在Cymodoceaceae中，Cymodocea rotundata与Oceana serrulata可通过叶尖和叶鞘特征区分；Thalassodendron ciliatum和Syringodium isoetifolium因独特的木质根茎或圆柱叶而易于识别。Halodule uninervis与H. pinifolia主要通过叶尖形态区分，但性状重叠常导致鉴定困难。Zostera capensis通过直立的叶片和深凹叶尖区别于Halodule属。

**海草物种的分子鉴定：** 研究人员生成了84条ITS序列（约610 bp）和116条rbcL序列（约600 bp），代表12个形态种。ITS区分了所有形态种，而rbcL仅区分10种，未能分离Halophila ovalis与H. minor以及Halodule uninervis与H. pinifolia。分子分析证实，形态学鉴定与分子分配在大部分物种中一致，但在Halophila和Halodule内存在误分类：一些基于形态学被鉴定为H. ovalis的标本在ITS树中被归为H. minor，反之亦然；Halodule属也出现类似情况。这些不一致对应于形态特征的重叠。在种内水平，坦桑尼亚序列落在印度-太平洋的遗传变异范围内，Thalassia hemprichii和Enhalus acoroides在ITS树中部分分离，但在rbcL中未重现，表明有限的分化；其他物种的序列与印度-太平洋其他地区的同种序列混合。

**讨论与结论**

讨论部分指出，形态学鉴定在大多数坦桑尼亚海草物种中可靠，但在Halophila和Halodule等形态相似类群中，重叠的营养性状导致反复误分类。分子数据（尤其是ITS）解决了这些模糊性，提供了更清晰的物种边界。坦桑尼亚海草序列嵌入了更广泛的印度-太平洋谱系，未形成独特区域分支，表明西印度洋与整个印度-太平洋之间存在持续基因流，但更精细的分析需要高分辨率标记（如微卫星或SNP）。本研究填补了区域分子参考空白，生成了12种海草的ITS和rbcL序列，为未来分类学研究和DNA-based监测（代谢条形码、eDNA）提供了实用资源。

**结论翻译：** 当诊断特征被谨慎应用时，形态学鉴定对坦桑尼亚大多数海草物种仍然是可靠的，但本研究表明，在形态相似类群（如Halophila和Halodule）中，物种界限变得模糊，重叠的营养性状可导致重复误分类。分子数据（特别是ITS）解决了这些模糊性，并在单独形态学不足时提供了更清晰的物种边界。坦桑尼亚海草序列并非形成独特区域群，而是嵌套于更广泛的印度-太平洋谱系内，表明西印度洋与整个印度-太平洋之间存在持续连通性。虽然仍需使用更高分辨率标记进行更精细分析，但当前数据不支持强区域隔离。本研究通过为坦桑尼亚目前记录的所有12种海草物种生成84条ITS序列和116条rbcL序列，填补了一个主要地理空白，显著提高了该地区的分子参考覆盖率。这些序列为未来分类学研究和加强基于DNA的应用（如代谢条形码和环境DNA调查）提供了实用资源，因为准确的区域参考库对于可靠物种检测是必要的，同时也为西印度洋海草多样性、连通性和保护的未来研究建立了基线。