海洋底栖动物关键功能群DNA条形码及分子生物多样性研究

In the context of global change, marine biodiversity is facing huge threats, thus weakening the marine ecosystem functioning and service. Free-living marine nematodes and polychaetes are the middle links of benthic marine food web and play a key role in marine ecosystem functioning. They are also the ideal indictor taxa for marine ecosystem health and have been included in the rutine monitoring programs. Their biological diversity, however, were largely underestimated due to the peculiar taxonomic impediment in these groups. This study aims at initiating the application of DNA barcoding tool which has been world-widely accepted, to study the biodiversity of free-living marine nematodes and polychaetes at the molecular level, through large-scale and multi-habitat sampling strategy; to improve DNA barcodong efficiency of the two taxa by high-throughput barcoding work flow and designing new primers; to establish DNA barcodes reference library for common nematode and polychaete species in Chinese waters, with the aid of international open access database (the Barcode of Life Database); to reveal the cryptic species diversity and molecular phylogeographic structure in the two groups; to explore the way of integrating DNA barcodes, phylogeny and community ecology of marine benthos. Our study will lay a concrete foundation for the appliation of next genereration sequencing based environmental barcoding technology, in marine biodiversity assessment and environment monitoring.

在全球变化背景下，海洋生物多样性正面临着巨大的威胁，进而削弱海洋生态系统的功能和服务。自由生活的海洋线虫和多毛类是海洋底栖食物网的中间环节，海洋底栖动物中两个关键功能类群，作为海洋生态系统健康的指示生物已被纳入常规的生态监测中，然而其生物多样性却因形态分类的特别困难而被大大低估。本项目拟应用国际上已普遍接受的DNA条形编码手段，通过大尺度、多生境的取样策略，在分子水平上研究我国海洋线虫和多毛类的生物多样性；通过高通量条形编码流程和新引物设计提高这两个类群的DNA条形编码效率；借助国际条形码数据库开放平台BOLD，建立我国海域常见线虫和多毛类种的DNA条形码参考库；揭示我国海洋底栖动物关键功能群的隐存物种多样性和分子亲缘地理学结构；探讨将DNA条形码、系统演化与海洋底栖群落生态学相整合的研究途径，为基于下一代测序技术的环境条形编码技术在海洋生物多样评估和环境监测中的应用奠定基础。

自由生活海洋线虫和多毛类是海洋底栖食物网的中间环节，海洋底栖动物中两个关键功能类群，作为海洋生态系统健康的指示生物已被纳入常规的生态监测中，然而其生物多样性却因形态分类的特别困难而被大大低估。. 本项目应用国际上已普遍接受的DNA条形编码手段，通过大尺度、多生境的取样策略，在分子水平上研究我国自由生活海洋线虫和多毛类的生物多样性。通过本项目的开展，完成了项目设定的主要研究内容和大部分预期目标，取得了如下重要结果和关键数据：1. 在对我国陆架海(黄渤海、东海、南海北部)，内湾和潮间带(岩礁海藻、沙滩)不同生境的大型、小型底栖动物大尺度取样基础上，整合研究了底栖动物关键功能群的丰度、生物量和生物多样性大尺度分布格局；2. 借助国际条形码数据库开放平台BOLD，首次建立起我国海域常见多毛类和自由生活海洋线虫两个DNA条形码参考数据库，分别完成了对1370个个体，近200种多毛类和其他大型底栖动物类群以及232个个体，近 80种海洋线虫的DNA条形编码；3. 以线粒体基因COI-5P、16S和核糖体小亚基18S的DNA序列为基础，在我国沿海分布的173个不倒翁虫中鉴定出隐存种7个，对这7个隐存种进行了亲缘地理学和分子系统演化分析；4. 利用一代测序技术和DNA条形码方法对青岛湾污染指示种小头虫3个姊妹种Capitella spp. 进行分子鉴定，其中在排污口高潮区分布的种与Capitella teleta亲缘关系更为相近；5. 对DNA条形编码中所采用的分子标记的敏感性和编码成功率以及不同引物的扩增效率进行了充分评估，明确了18S核糖体小亚基虽然在一定程度上具有低估分子生物多样性的缺点，但其具有相对于COI-5P更高的编码成功率，对底栖动物特别是海洋线虫的DNA条形编码来说是一个必不可少的补充分子标记；6. 利用小头虫和线虫尝试开展二代高通量测序，成功完成4种不同引物对的17种海洋线虫的Mi-Seq平台高通量测序。. 本项目通过将DNA条形码、系统演化与海洋底栖群落生态学相整合的研究途径，为基于下一代测序技术的DNA宏条形码在海洋生物多样评估和环境监测中的应用奠定了基础。