海水养殖的敌害生物――玻璃海鞘（Ciona intestinalis）的快速局域适应的遗传机理研究

Since the beginning of last century, numerous harmful species, such as the vase tunicate Ciona intestinalis, have been raging in aquaculture areas, resulting in huge economic losses to aquaculture. More seriously, these species have been undergoing rapid translocation and range expansion to different environments in a short period of time. Now C. intestinalis has been recognized as one of the major harmful species to aquaculture worldwide. Its rapid range expansion prompts a fundamental scientific question: what mutations in which genes are responsible for the rapid local adaptation? In the present study, we will investigate the genetic mechanisms of rapid local adaptation at the whole genome level based on molecular markers including microsatellites (i.e. SSRs) and single nucleotide polymorphisms (SNPs) and next generation pyrosequencing technology. We aim to dissect the complex micro-evolutionary processes associated with rapid range expansion in C. intestinalis. The results are expected to provide basic information for preventing and controlling the further spread of harmful species including C. intestinalis. Additionally, the results obtained in such a model species can provide candidate genes for fast cultivation of introduced species for aquaculture in local environments.

从上个世纪初开始，以玻璃海鞘为代表的各种水产养殖的灾害生物在养殖区内肆虐，给水产养殖带来了巨大的经济损失。更严重的是，这些生物在短时间内完成了在不同环境下的栖息地的转换与扩张。到目前为止，玻璃海鞘在世界范围内已经成为公认的水产养殖的敌害生物。其快速的栖息地转换与扩张进一步提示我们深入研究并回答一个科学问题：即玻璃海鞘DNA水平上的哪些突变是引起其在短时间内完成快速局域适应的。本研究拟采用主流分子标记技术（SSRs和SNPs）并结合新型焦磷酸测序技术，从全基因组水平深入研究快速局域适应的遗传学本质，揭示以玻璃海鞘为代表的灾害生物应对环境剧变和栖息地快速转换所涉及的快速微进化过程的分子机理。深入了解快速局域适应的遗传学本质可以为水产养殖相关的灾害防控提供理论指导。同时，在模式生物玻璃海鞘中研究得到的结果又可为水产养殖中的引种及引种后在不同水环境中的育苗和养成提供理论支持。

快速局域适应是入侵生物适应新栖息地环境的重要微进化过程之一。玻璃海鞘（Ciona spp）作为入侵生物的模式物种，对温度和盐度具有很强的适应性，是解析微进化过程的理想材料。本研究在全基因组水平上探讨了玻璃海鞘局域适应的遗传学本质。. 通过公用数据库查找得到全基因组水平微卫星4654个，其中2126个微卫星能成功定位到玻璃海鞘染色体上。选取545个具有代表性的微卫星进行扩增与多态性评价。在玻璃海鞘A种的两个群体中扩增得到218个具有多态性的微卫星标记。25.8%的微卫星在玻璃海鞘B种中成功扩增并具有多态性。. 玻璃海鞘群体之间存在较为复杂的群体遗传结构。利用全基因组水平的微卫星遗传标记分析表明，玻璃海鞘群体之间存在很强的遗传分化，两两群体间的FST值在0.0169～0.2041之间变化。3D-FCA和贝叶斯聚类分析得到一致的结果，地中海群体和大西洋群体聚成一簇，太平洋群体聚成另一簇。. 通过全基因组扫描，采用三种方法检测得到19个基因组区域具有正向选择信号，其中12个独立分布于9条染色体上。根据受选择位点相邻位点的受选择情况，发现玻璃海鞘基因组选择性扫除区域较小，最小的为9.8 kb。通过微卫星的等位基因频率与环境因子（温度和盐度）的关联分析，发现16个受选择位点与环境因子相关联，表明这些位点很有可能在玻璃海鞘的温度和盐度适应性进化中发挥重要作用。. 通过分析受选择位点的上下游基因，得到132个参与适应性进化的候选基因。包括钙调蛋白4基因等。已有的研究证实这些基因在渗透压调节等过程中发挥着重要作用。因此很有可能参与到玻璃海鞘的快速适应进化中。. 本研究阐述了自然选择作用驱动玻璃海鞘群体的适应性分化，探讨了自然选择在物种基因上的印记与对基因组结构的影响，初步揭示了自然选择的环境驱动因子。在基因组水平为阐明玻璃海鞘对入侵地变化环境的适应性进化过程提供了理论依据。