两种钳蝎在接触带区域适应性演化格局的群体基因组学比较研究

The Chinese scorpion (Mesobuthus martensii) and the mottled scorpion (Mesobuthus eupeus) are predacious arthropods with medical importance in China. They manifest contrasting ecological preferences with only a narrow contact zone formed at the interface of East Asia monsoon. Our studies on “Evolution of Phylogeographic Patterns of the Chinese Scorpion and the Mottled Scorpion” supported by the National Science Foundation for Young Scientists revealed that historical climate changes have played pivotal roles in shaping the geographic distributions, genetic diversity, lineage divergences, population structure and demographic histories of these scorpions. Basing on the materials and knowledge we have harvested, we plan to explore the key environmental factors which underlay the spatial genetic variation and the mechanism of adaptive evolution of scorpions. We will make a full utilization of the next generation sequencing technologies and modern population genetic methods to draw a fine scale picture of population evolution from a genomic point of view. The expected findings will have importance implications on predicting the genetic consequence of climate change, facing the ongoing global climate change, and protecting and exploring the natural wildlife resources.

东亚钳蝎（Mesobuthus martensii）和条斑钳蝎（M. eupeus）是两种捕食性节肢动物，具有重要的药用价值；二者生态适应迥异，在东亚季风区边缘形成了一个共同分布区。青年科学基金项目——“东亚钳蝎和条斑钳蝎地理分布格局的演化机制研究”表明历史气候环境变化是影响中国钳蝎的地理分布、遗传多样性、谱系分化、群体遗传结构和群体历史动态变化的重要因素。本项目拟在青年科学基金项目研究的基础上，聚焦在东亚钳蝎和条斑钳蝎的共同分布区种群，充分利用新一代测序带来的技术突破和现代群体遗传学的理论和分析方法，从基因组水平在精细的时空尺度上解析气候环境变化的主要因子对钳蝎群体遗传变异的影响及钳蝎对环境变化的适应。预期的研究结果将会对可靠预测气候变化的遗传后果，正确面对未来气候变化，合理有效地保护野生动物资源提供科学依据。

本项目以东亚钳蝎（Mesobuthus martensii）和条斑钳蝎（Mesobuthus eupeus）在东亚季风区边缘的共同分布区群体为研究对象，从基因组水平解析气候环境变化对钳蝎群体遗传变异的影响及钳蝎对环境变化的适应，取得了以下重要结果：（1）通过多基因系统发育和生物地理学分析明确东亚钳蝎与条斑钳蝎不是姊妹种，二者沿着两条不同的线路从中亚扩散到中国境内；（2）群体遗传学比较研究结果表明东亚钳蝎和条斑钳蝎在共同分布区群体遗传多样性均较低，条斑钳蝎在研究区域内没有群体分化，而东亚钳蝎在研究区域内存在明显的普系分化和群体遗传结构；（3）基于线粒体DNA群体数据（BSP）和全基因组重测序数据（PSMC）分析结果表明东亚钳蝎和条斑钳蝎在历史上均经历了剧烈的群体大小变化，虽然种群数量变化模式相似，但变化的时间明显不同；（4）生态位模型预测结果表明在末次盛冰期两种钳蝎的适宜分布区显著收缩，野外调查发现寄生性双翅目昆虫可能是影响两种钳蝎分布的重要生物因素；（5）明确基于多物种溯祖模型的完全似然方法是存在不完全谱系汰选的情况下推断物种树的最可靠的方法。研究结果将会对正确面对未来气候变化，合理有效地保护野生动物资源提供科学依据。..通过本项目积累了以下关键数据：（1）积累东亚钳蝎263个样点5000余份标本，条斑钳蝎68个样点400余份标本；（2）发现并明确了东亚钳蝎的最近缘物种，丰富了我国药用钳蝎资源；（3）东亚钳蝎和条斑钳蝎的群体基因组数据（共51个体，30×，920万个SNP标记）。这些数据是我国资源钳蝎动物最原始、最丰富的遗传信息，是研究钳蝎起源和演化，欧亚大陆温带地区谱系地理学的宝贵材料，丰富了同类中药资源，有望缓解东亚钳蝎资源压力，有利于其有效保护。