潮间带温度异质性对条纹隔贻贝种群动态的影响及其生理和进化适应机制

It is crucial to study the spatiotemporal heterogeneity of thermal environment and biological responses to them to understand the ecological impacts of global warming. Thermal environment is highly variable in different spatiotemporal scales, and the physiological adaptations of organisms to thermal stress are also highly variable among different individuals or different populations. The high level of thermal heterogeneity and “physiological diversity” are important for the resistance and resilience of a community to the current levels of thermal stress and for coping with future climate change. Many intertidal species have already lived closely to their thermal limits and rocky shore communities are very sensitive to climate change. In the intertidal zone, the thermal environments are highly heterogeneous among different microhabitats and many intertidal species showed high physiological polymorphism. Therefore, it is urgent and necessary to study the physiological performance among different microhabitats and populations over time, to clarify the relationship between genotypic variation and phenotypic variation. This project aims to achieve the following goals: (1) characterization of the spatiotemporal heterogeneity of thermal environments; (2) physiological diversity within and between populations of a mussel Septifer virgatus; (3) clarification of whether this physiological variation is environmentally induced or a result of fixed genetic differences among individuals by using Next-Generation Sequencing. This project will be important for risk assessment of intertidal communities and for evaluating the vulnerability of aquaculture species to climate change.

为准确评估气候变暖对种群动态的影响，须准确了解生物所经历的实际温度胁迫，分析微生境小尺度温度变化的生态效应，并查明种群内生理耐受能力的多样性及其与种群动态的相关性。本项目以潮间带条纹隔贻贝为研究对象，通过测定和分析生物体温，查明生物所面临的温度胁迫及其时空变化格局，同时在不同地点（舟山、温州、泉州、东山和深圳）定期测定生物在不同微生境的分布与多度，进而整合生物体温和种群动态数据，分析微生境温度与生物种群动态的相关性；利用转录组高通量测序方法，比较分析不同微生境/种群之间基因表达模式的差异，查明条纹隔贻贝对温度胁迫的分子响应机制；利用简化基因组测序方法，从基因组水平上揭示条纹隔贻贝的遗传结构，重点查明造成个体及种群间生理适应能力差异的遗传机理。本研究的顺利实施可揭示小尺度温度异质性和个体间生理多样性对种群动态的影响，为准确评估气候变暖的生态效应提供理论支持。

为准确评估气候变暖对种群动态的影响，须查明生物所面临的温度胁迫及其时空变化格局。本项目以潮间带典型贝类为研究对象，通过原位温度监测和模型拟合，查明了不同时空尺度上潮间带温度的异质性，并从不同组织层次探究了潮间带生物对环境变化的适应机制，查明了环境异质性和生理适应性差异对潮间带生物生存及分布的影响。本项目取得的主要成果如下：（1）潮间带贝类对温度的适应展现在从种群到分子的各组织层次；生物大分子少数关键位点的改变足以改变mRNA和蛋白质结构的热稳定性，进而影响生物的高温耐受能力；通过热休克反应、调控翻译过程、调控能量代谢模式、小分子渗透剂积累等方式，在潮间带环境的极端高温下存活；在面对多种环境因子的共同胁迫下，潮间带生物的生理可塑性和多样性起到了重要作用；平衡选择保持了种群的遗传多样性，保持种群对环境变化的高度适应性；相比于在岩石表面的底栖微藻，被潮水冲积到岸上的浮游微藻更容易获取，是潮间带啃食性腹足类主要的食物来源。（2）潮间带的环境温度在多个时空尺度上的异质性，以及潮间带生物对温度环境差异的行为、生理和分子适应，共同决定了潮间带生物热敏感性的时空差异；栖息环境温度更高的种群/物种往往具有更高的热耐受性，但其经历的最高温度已经超过了自身的热耐受极限，面临着更严重的高温胁迫；相比于中心区，分布于边缘区的种群具有更高的热敏感性，更容易受到气候变暖的影响；温和的微生境能够为生物提供躲避高温胁迫的“避难所”。（3）不同尺度生态效应共同影响了潮间带生物的分布格局；结合高温生理性状构建生物分布机理模型，能够更准确的评估和预测潮间带贝类的地理分布格局；我国沿岸修建的人工硬基质海堤成为连通南北方岩石相潮间带生物的“踏板”，在水文环境、气候因子和人类活动的作用下，南方物种/种群突破长江口的隔离，分布北界张到33-34°N区域；潮间带生物能够在气候驱动下产生快速进化，适应新的栖息地环境并成功建立种群。.在项目支持下，目前已在PNAS（3篇），Global Change Biology, Biological Reviews，Global Ecology and Biogeography等期刊发表SCI收录论文19篇。培养博士后3人，博士研究生5人，硕士研究生5人。组织国际学术研讨会1次；参加国内外会议18次。