亚洲内陆干旱区钳蝎谱系地理演化模式研究

Arid environments currently comprise the most extensively distributed terrestrial biomes on Earth, and aridification has been a major trend of climate change since the Miocene. However, phylogeography of arid regions and the impacts of aridification on biological evolution are poorly understood. In this project, we will use scorpions of Mesobuthus as a model system to investigate the phylogeographic history of arid Asia interior, which represent the largest mid-latitude arid region of the world. We plan to (1) reconstruct continental scale biogeography of arid Asia interior based on sampling and analyzing genus-wide whole genome sequencing data under the multispecies coalescent model, and to (2) to perform a regional scale comparative phylogeographic study on two typical desert species from China, M. przewalskii from Tarim basin and M. eupeus from Junggar basin, based on range-wide systematic sampling for four (one mitochondrial and three nuclear) DNA sequence markers. By testing a priori hypothesis on bio/phylogeography and demography, and comparing patterns of phylogeography across both temporal and spatial scales, we aim to (1) reveal the general modes of phylogeography for Mesobuthus scorpions, and to (2) unveil the major environmental drivers of phylogeographic evolution in arid Asia interior across spatiotemporal scales. The results will not only improve our understanding of Eurasia biogeography and conservation for regional biodiversity, but also help to mitigate biological impacts of oncoming global climate change.

当前对干旱地区谱系生物地理学的研究和干旱化对生物地理演化影响的认识还非常薄弱，特别是亚洲内干旱区的研究尤其欠缺。本项目拟以钳蝎（Mesobuthus属）为模型，对亚洲内陆干旱区谱系生物地理学进行系统研究，旨在明确钳蝎谱系地理演化的基本模式，解析不同时空尺度影响亚洲内陆干旱区谱系地理演化的关键气候环境因素。首先，采用全基因重测序的手段，运用多物种溯祖模型对钳蝎系统发育关系（物种树）进行重建，进行大尺度生物地理演化分析；其次，运用四个DNA序列标记对我国两种典型的荒漠钳蝎——塔里木盆地的普氏钳蝎和准格尔盆地的条斑钳蝎，整个分布区群体进行系统的遗传分析，开展区域性的比较谱系生物地理学研究；最后，对谱系地理和群体演化假说进行验证，对不同时空尺度的谱系地理格局和群体演化动态进行纵横比较分析。预期的结果可以加深对欧亚大陆生物地理演化的认识，促进生物多样性保护，并可指导科学应对未来气候变化。

本项目以钳蝎属（Mesobuthus）动物为模型，通过对先期（申请书）提出的一系列科学假说的验证，对亚洲内陆干旱区谱系生物地理学进行系统研究，解析在不同时空尺度上钳蝎谱系地理演化模式和影响亚洲内陆干旱区生物地理演化的关键环境因素。项目取得了以下主要结果：（1）基于全基因组1570个单拷贝直序同源基因序列，运用多物种溯祖模型的系统发生关系重建和生物地理学（千万至百万年时间尺度）研究结果表明东亚钳蝎与普氏钳蝎系统发生关系最近，支持中国钳蝎物种早期演化的“地理通道”假说。（2）条斑钳蝎和普氏钳蝎区域性谱系地理学（百万至十万年时间尺度）的比较研究表明，条斑钳蝎在更新世起源于天山西北中亚地区，经由准格尔盆地扩散至戈壁地区，普氏钳蝎在中新世末与其中亚近缘种发生分歧，经由塔里木盆地扩散至戈壁地区；两种钳蝎区域性谱系地理演化以东西径向扩散为主要特征，而在近20万年内，分别经历了北扩事件和南扩事件；两种钳蝎区域性谱系地理演化支持项目申请书提出的温湿度协同驱动假说。（3）群体历史动态（十万至万年时间尺度）研究结果表明，分布在东部湿润区的东亚钳蝎群体大小总体呈现明显的下降趋势，而分布于西部干旱区的条斑钳蝎、普氏钳蝎和喀什钳蝎的有效群体呈现多峰变化，有效群体峰值的产生紧随区域性气候转变和沙漠的形成；所有钳蝎物种有效群体数量在末次盛冰期均达到历史最小值，在一定程度上支持“环境承载量假说”。（4）中国钳蝎的起源和地理演化支持“走出中亚”的生物地理假说，与亚洲内陆的干旱化和荒漠的形成与扩张密切相关，不同钳蝎物种的适应性对其谱系地理演化后果具有决定性影响。此外，项目发现中国钳蝎新纪录种1种，测定组装染色体水平参照基因组1个，积累5种钳蝎18个代表性样本的全基因组重测序数据和两种钳蝎群体水平的遗传数据。本项目拓展了亚洲内陆干旱区生物地理学理论，丰富了中国钳蝎资源，有助于荒漠动物多样性保护。