专性孤雌生殖轮虫的谱系分化与系统地理格局的形成机制

The spatio-temporal differentiation of organisms in heterogeneous environments and its evolving mechanism have always been one of the focuses in biogeography. Due to the nature of island-like habitats and obligate parthenogenesis, bdelloid rotifer offers an excellent model system to understand phylogeography. In this program, Rotaria rotatoria will be collected from the representatively climatic and geological environments in China, and clonally cultured in the lab. With methods of molecular phylogeny and phylogeography, we will explore the phylogenetic relationships, genetic lineage delimitation and phylogeographic patterns in R. rotatoria using the mtDNA COI gene and rDNA ITS1 sequences as molecular markers, thus accordingly ascend and reveal the roles of major events in climatic and geologic history in shaping the phylogeographic patterns at large-scale. The key factors playing vital roles in the shaping of phylogeographic patterns will be determined applying the redundancy analysis or canonical correspondence analysis, by combining the environmental parameters. Then, with the life table techniques and the real-time quantitative PCR, the life history strategies and the express levels in related genes will be comparatively assessed among different R. rotatoria lineages taking the key factors as variables, and thereby we will disclose the effects of differentiated adaptive capabilities among lineages on the phylogeographic patterns at local-scale. Taken together, the formation mechanism of phylogeographic patterns in R. rotatoria will be revealed combining biotic and abiotic factors. Successful implementation of this project would substantially contribute to the further understanding of the processes such as ecological adaptation, population differentiation and speciation in obligate parthenogenones.

物种在异质环境中的时空分异及其演化机制一直是生物地理学研究的焦点之一。蛭态类轮虫凭借栖息地岛屿化和专性孤雌生殖等特点，为谱系地理学研究提供了独特范例。本项目以蛭态类转轮虫为对象，于我国典型地理和气候区域中采集轮虫样本并单克隆培养，基于线粒体COI和核糖体ITS1分子标记，运用分子系统学和谱系地理学开展系统发育、谱系甄别和地理格局分析，在大尺度上揭示地史和气候事件在谱系地理格局形成中的作用；结合环境参数，采用冗余分析或典范对应分析判别影响轮虫谱系地理格局形成的关键因子，并以此为条件，采用生命表技术和实时定量PCR技术对不同谱系转轮虫在特定条件下的生活史对策和相关基因表达水平进行比较研究，从而在局域尺度上揭示转轮虫的适应能力对谱系地理格局的影响，最终从生物和非生物角度解释转轮虫谱系地理格局的形成机制。本项目的成功实施对深入理解营专性孤雌生殖类群的物种形成、种群分化和生态适应等进程具有重要意义。

本项目以蛭态类转轮虫的18个地理种群为研究对象，基于线粒体COI和核糖体ITS分子标记，运用分子系统学和谱系地理学开展系统发育、谱系甄别和地理格局分析；采用生命表技术和转录组RT-qPCR技术对不同谱系转轮虫的生活史对策和相关基因表达水平进行比较研究，以解释转轮虫谱系地理格局的形成机制。研究表明，转轮虫种群的COI基因序列核苷酸多样性和单倍型多样性均比基于ITS片段序列高。转轮虫种群间遗传分化指数不高，种群内的遗传分化明显，并存在近期的范围扩张。在谱系界定中，不同评判模型和遗传标记确定的谱系数量不同，结合系统发生树的拓扑结构，本研究认可COI基因界定的9个谱系和ITS序列界定的6个谱系结果，且两种标记得出的遗传谱系具有清晰的对应关系。生活史研究表明，温度对转轮虫所有的生活史参数均有显著影响。随着温度的升高，转轮虫的死亡时间提前，且速度加快，生殖高峰出现的更早。各谱系采取不同的生殖权衡策略，这是转轮虫对栖息环境长期适应的结果。脱水实验表明，谱系、相对湿度和脱水时间对转轮虫的回收率、复苏率及死亡率有显著影响。UV-B辐射对转轮虫的生长和繁殖有不利影响，并存在显著的剂量-响应关系。转录组分析表明各转轮虫谱系对温度胁迫的适应机制不同，热休克蛋白和超氧化物酶家族等对温度胁迫的响应敏感。巢支分析表明，转轮虫18个种群呈现出一定的系统地理格局。总体来看，地理种群伴随距离隔离的限制性扩散现象、连续范围扩张、分布区不重叠的栖息地片段化是形成我国转轮虫现有谱系地理分布格局的主要成因。究其原因，除了受到候鸟迁飞路径的影响外，还可能受到环境生物DNA对转轮虫的横向基因转移影响，从而导致核基因序列的连续扩张和扩散。此外，不同地理种群由于长期栖息于环境差异明显的气候区域，从而形成了对温度、湿度和紫外辐射等不同的适应和抵抗力，并影响着转轮虫的谱系地理格局。本项目的成功实施对深入理解营专性孤雌生殖类群的物种形成、种群分化和生态适应等进程具有重要意义。