基于简化基因组测序的日本鳗鲡种群遗传结构及本地适应性进化研究

The genetic constitution and genetic structure play an important role in the adaptive and evolutionary potential of a species. Knowing the proportion of genetic exchange among populations and the spatial-temporal distribution of genetic diversity for particular species is critical to inform conservation and management decisions. In addition, understanding the genetic basis of how organisms adapt to local environments is a central question in modern evolutionary ecology. The Japanese eel, Anguilla japonica, is a catadromous species with an interesting and complex life history of spawning in the ocean and growing up in rivers. It is also an important fishery resources in East Asia and its population has dramatically declined since the 1970s. Consequently, conservation and resource management of this species are urgently required. However, controversy remains as to whether its population is characterized by panmixia or genetic differentiation. Population genomic approaches provide revolutionary opportunities over traditional population genetic markers to characterize population structure and the genetic mechanism of local adaptation in A. japonica by analyzing polymorphic markers dispersed throughout the entire genome. By using restriction-site-associated DNA sequencing (RAD-seq), we plan to perform population genomic analyses on A. japonica distributed in the northwestern Pacific with three main objectives. First, we will conduct the most comprehensive analysis of neutral genetic population structure to revisit the null hypothesis of panmixia and to estimate the effective population size of this species. Second, temporal stability of genetic composition among cohorts and year classes will be clarified. Third, genetic mechanism of how A. japonica populations adapt to local environments will be elucidated. These results will be useful to inform conservation and management decisions for this species.

物种的遗传变异水平和种群遗传结构与其适应性和进化潜力密切相关，查明遗传多样性水平和种群遗传结构对于生物资源的合理管理与保护至关重要。此外，正确理解种群的适应性机制一直是进化生态学的核心问题。日本鳗鲡是一种具有重要经济价值的降海产卵洄游性鱼类, 具有神秘而复杂的生活史，其野生资源目前已处于濒危状态。然而，关于日本鳗鲡的种群遗传结构依然存在较大争议。群体基因组学的研究方法为阐明日本鳗鲡的种群遗传结构和本地适应性进化提供了新的契机。本项目拟采用简化基因组测序技术（RAD-seq）对西北太平洋沿海日本鳗鲡群体进行群体基因组学研究，查明西北太平洋沿海日本鳗鲡种群遗传结构，估算有效群体大小；阐明种群遗传组成在时间上是否具有稳定性；探讨地理种群对本地环境的适应性遗传机制。相关研究结果对于日本鳗鲡资源的合理保护和管理，以及深入了解海洋生物适应环境的遗传学机制具有重要的指导价值和科学意义。

生物遗传多样性、群体遗传结构及适应性与其进化潜力密切相关，是理解生态和进化因素对生物多样性的影响机制和明确生物资源保护格局的基础。日本鳗鲡（Anguilla japonica）分布于西北太平洋，是一种温带降海产卵洄游性鱼类，其野生种群目前已处于濒危状态，亟待通过查明其种群遗传特征和本地适应性机制开展种群的管理和保护。本项目基于简化基因组测序技术（RAD-seq）分析了采集自中国和日本沿海的11个自然地理群体的日本鳗鲡的264个个体，群体遗传结构分析结果显示11个日本鳗鲡群体间遗传分化水平很低（FST=0.002012），表明日本鳗鲡群体间存在高水平的基因交流，但是个别群体中的部分个体存在一定的分化趋势,可能由于漂变导致。采用全基因组重测序的方法对2014-2015年及2018-2019年四个站位160个个体进行分析，探讨了日本鳗鲡不同年份的补充群体以及同一年份不同批次的补充群体的遗传组分的时间稳定性，研究结果显示不同年份以及同一年份不同批次的补充群体间不存在显著的遗传差异，且群体间亦不存在显著的遗传结构，证明了日本鳗鲡不同群体的遗传组成在时间上具有稳定性，支持日本鳗鲡为以随机交配种群的假说。虽然日本鳗鲡群体在人类活动影响下经历了近期群体衰退，其群体的有效群体大小依然维持在较高的水平。本地适应性分析共筛选得到355个离散位点（outliers），功能注释显示这些离散位点相关联的基因主要与生长发育、细胞代谢、催化活性等细胞组成和生物过程相关，显示日本鳗鲡不同群体在单世代存在与本地环境适应相关的遗传信号。KEGG通路分析注释到10条代谢通路，主要包括Wnt信号通路、卵母细胞减数分裂通路、心肌细胞中的肾上腺素通路、钙离子信号通路、MAPK信号通路等。这些代谢通路参与了繁殖、发育、学习记忆、渗透压调节等生命过程，可能与日本鳗鲡种群对分布范围内不同环境因子（如水温、盐度等）的适应相关。相关研究结果系统阐明了日本鳗鲡的种群遗传特征和本地适应性机制，对于日本鳗鲡资源的合理保护和管理具有重要的指导价值和科学意义。