蘭州大學通過基因組學手段揭示中國境內鼢鼠的系統發育和成種動力

日期: 2022-05-09 閱讀: 來源: 關鍵詞:

一直以來,甘肅、青海、寧夏、內蒙和東北等地鼠害嚴重,對農作物、樹木和草皮造成大面積破壞。過去五十年來,當地群眾一直采用地箭射殺或者投毒等手段進行鼠害控制,但是無法有效控制其種群密度。地箭射殺成功率低,耗費大量的人力物力財力;投毒會誤殺以其為食的物種,破壞食物鏈平衡,藥物也會造成土壤、地下水污染,危害人類健康,與保護環境的基本國策和“兩山論”相悖,急需尋找科學有效地控制害鼠種群大小的方法。

5月6日,由蘭州大學牽頭、聯合中國科學院西北高原生物研究所和以色列海法大學等在國際期刊Proceedings of the National Academy of Sciences在線發表了題為“Genomicinsights into zokors’ phylogeny and speciation”的研究成果。該研究通過群體遺傳學手段闡明了鼢鼠亞科在鼴形鼠科中的分類學地位,以及分布在中國境內的凸顱鼢鼠屬的系統發育和成種動力;發現不完全譜系分選是導致近期快速輻射產生新物種的系統發育樹不穩定的主要原因,而祖先基因流是導致古老節點位置的系統發育樹不一致的主要原因;推測祖先多態性和搭載效應是基因組島嶼形成的原因??偟膩碚f,氣候、地質事件和C4植物的擴張塑造了中國境內鼢鼠的適應和進化。

鼢鼠亞科隸屬于嚙齒目,鼴形鼠科,營地下生活,分為平顱鼢鼠屬和凸顱鼢鼠屬,其中凸顱鼢鼠屬6個物種僅分布在我國:包括中華鼢鼠,甘肅鼢鼠,羅氏鼢鼠,秦嶺鼢鼠,高原鼢鼠和斯氏鼢鼠,平顱鼢鼠屬中有兩個物種分布在我國:東北鼢鼠和草原鼢鼠。鼢鼠在鼴形鼠科中的分類學地位以及鼢鼠亞科內部各物種之間的系統發育關系一直是分類學家和動物學家爭論的焦點,研究者們利用線粒體基因組,單基因序列或者形態數據構建出來的進化樹形大相徑庭。凸顱鼢鼠屬真實的系統發育關系以及導致系統發育樹不一致的原因尚缺乏定論。

本研究通過全基因組HiFi+Hi-C測序構建了中華鼢鼠完整的染色體水平的基因組,基因組大小為2.70G,ContigN50=59.2M,Hi-C掛載后構建出31條染色體,與文獻報道的2n= 62 的核型一致。比較基因組學分析闡明:在鼴形鼠科中,鼢鼠亞科與竹鼠亞科的親緣關系更近,二者的分化時間大約在26.9Mya,而鼴形鼠亞科的分化比它們早2Mya左右,導致鼴形鼠科中三個亞科系統發育關系混亂的主要原因是種間漸滲。

群體遺傳學分析表明,高海拔的高原鼢鼠和斯氏鼢鼠聚為一枝(cladeA),其它四個物種中華鼢鼠、甘肅鼢鼠、秦嶺鼢鼠和羅氏鼢鼠聚為一枝(cladeB)。在樹形構建過程中,研究人員發現全基因組SNP樹和線粒體樹存在不一致,物種樹和溯祖樹也不一致的情況,且主要是中華鼢鼠在系統發育樹上的位置多變。據文獻報道,導致樹形結構不穩地的主要原因有不完全譜系分選(ILS)、漸滲、基因水平轉移等。因此,本研究利用D-statistics (ABBA-BABA) 計算了種間漸滲,發現物種間的基因流雖然普遍但是數值較小,不足以解釋中華鼢鼠系統發育位置的不一致。分析表明中華鼢鼠所在節點的不一致樹形的成因仍然是漸滲,而不完全譜系分選更多的是導致近期快速輻射成種的節點產生不一致樹形。利用DFOIL和fastsimcoal我們鑒定出中華鼢鼠與斯氏鼢鼠和高原鼢鼠的祖先,中華鼢鼠和秦嶺鼢鼠與羅氏鼢鼠的祖先之間的祖先基因流很大,充分解釋了中華鼢鼠在系統發育樹上位置的不穩定。

圖1: 線粒體13個蛋白編碼基因最大似然樹(左)和核基因組SNP鄰接樹(右)

圖2:D-statistics鑒定種間漸滲(左)和DFOIL祖先漸滲(右)

群體歷史研究表明,冰期顯著影響了凸顱鼢鼠屬有效種群大小,海拔高度通過影響植被進而影響鼢鼠的有效群體大小波動。360萬年前,凸顱鼢鼠屬的部分群體隨青藏高原隆升至高海拔地區,在~3.22Mya分化產生高原鼢鼠一支,后在Naynayxungla冰期 (NG, 0.5~0.78 Mya) 時,部分鼢鼠群體為獲得更好的食物資源遷至更加溫暖的秦淮以南,在75萬年前分化產生斯氏鼢鼠;位于低海拔的譜系在240萬年前分化出中華鼢鼠;160萬年前黃土高原C4植物出現了擴張,以C4植物為食的鼢鼠為獲取食物從秦嶺地區向北部黃土高原擴張,在146萬年前分化產生甘肅鼢鼠;Penultimate glaciation冰期 (PG, 135~194 kya) 時,秦嶺地區被冰川覆蓋,部分鼢鼠群體為獲取食物遷到秦淮以南,在44萬年前分化出羅氏鼢鼠。

圖3:凸顱鼢鼠屬有效種群大小波動和物種形成

本研究還推斷出不同物種之間的基因組分化島嶼區的成因是祖先多態性和搭載效應。因為長期生活在地下,而且高原和斯氏鼢鼠生活在高海拔地區,與心室大小、心臟發育、血管生成、免疫,DNA修復、神經系統發育和抗腫瘤等相關的基因受到選擇。

本研究解決了困擾學界已久的鼢鼠系統發育問題,深入探討了系統發育混亂的生物學原因,解析了凸顱鼢鼠的進化路線和成種動因。蘭州大學生態學院碩士生劉希、張上哲、西高所副研究員蔡振媛和生態學院碩士生匡卓然為文章并列第一作者,李克欣教授為文章通訊作者,該研究得到國家自然科學基金、十四五重點研發計劃、甘肅省基礎研究創新群體等基金支持。

文章鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2121819119

 

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文:劉希
圖:劉希
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編輯:魏麗紅
責任編輯:彭倩

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