基于线粒体基因组与核基因的深海藤壶演化及适应性研究

As a beloved group of Charles Darwin, barnacles (Balanomorpha) are important model organisms in fields of marine ecology, biofouling and evolution. Widely distributed in the global oceans, barnacles occur in the intertidal zone, shallow sea to the deep sea. Because of their wide and discontinuous distribution, barnacles are the perfect group to elucidate the evolution and adaptability of deep-sea organisms. How the phylogenetic relationship between the deep-sea barnacles (the unique group of Balanomorpha) and other related groups? Whether it is a polyphyletic group of deep-sea barnacle? Meanwhile, in the deep-sea extreme environment, are the mitochondrial energy metabolizing genes encountered adaptive evolution? Are there different adaptive evolutionary features in each of the mitochondrial genes? Focusing on these key scientific questions, we integrate the resources from mainland China and Taiwan, and will sequence 40 mitochondrial genomes, as well as nuclear genes from 100 species in this proposed project. We aim to clarify the phylogenetic relationship between the deep-sea barnacles and other barnacles groups, by integrating information from mitochondrial genomes and nuclear genes. The selection pressures on mitochondrial genes of deep-sea and shallow sea barnacles will be comparatively analyzed. Then, the adaptive evolutionary pattern of mitochondrial genes in deep-sea barnacles will be explored in-depth. The project will not only enrich and expand the speciation and diversification of deep-sea creatures, but also provide scientific basis for biodiversity conservation and resource management of deep-sea creatures.

作为查尔斯•达尔文钟爱的类群，藤壶亚目是海洋生态、生物污损和系统演化研究中重要的模式生物。作为世界海洋广布种，从潮间带、浅海到深海均有典型类群分布，由于其广泛而不连续的分布，使其成为深海生物演化与适应性研究的绝佳材料。作为藤壶亚目的独特类群，深海藤壶与其它藤壶类群的系统演化关系如何？深海藤壶是否为多次起源？同时，深海极端环境中，其线粒体所编码的能量代谢基因是否发生适应性演化？各个线粒体基因是否存在不同的适应性演化特征？围绕这些核心问题，本申请整合两岸研究资源，拟完成目标类群40个物种线粒体基因组和100个物种的核基因。综合利用线粒体基因组和核基因，厘清深海藤壶与其它藤壶类群的系统演化关系。随后比较深海藤壶和浅海区藤壶线粒体基因的选择压力，并着重解析深海藤壶不同线粒体基因的适应性演化特征。本研究不仅会丰富和拓展深海物种的形成和分化历史，同时为深海生物的多样性保护和生物资源利用提供基础。

蔓足类是营固着生活的海洋甲壳动物，属于甲壳动物亚门颚足纲鞘甲亚纲Thecostraca蔓足下纲Cirripedia，是海洋生物群落中最常见、数量最多的类群之一。采用常规PCR和LA-PCR技术，结合一、二代测序平台及数据库资源，获取56个蔓足类物种的线粒体基因组全序列并进行基本特征分析，涵盖17科30属。蔓足类线粒体基因组长度范围为14,906bp至17,374bp，由37个基因组成，一般包含13个蛋白质编码基因（PCGs）、22个转运RNA基因以及2个核糖体RNA 基因，部分物种存在基因的缺失或重复现象。.与泛甲壳动物原始基因排列相比，蔓足类线粒体基因组均存在基因重排现象且重排方式复杂，具有较高差异性，可分为10种类型，且均有其独特的保守基因块。藤壶亚目中，藤壶科物种和塔藤壶科部分物种使用相同的基因排列模型。笠藤壶科具有保守的基因排列方式。藤壶亚目具有9种基因排列方式，具有2个一致的保守基因簇和1个单一的冗长基因簇，推测为藤壶亚目物种的原始排列。有柄蔓足类铠茗荷亚目内部的线粒体基因排列顺序较为保守。.蔓足类用于分子系统发育研究的核基因包括18S rRNA、28S rRNA、ITS、EF1-a、H3和RP-Ⅱ等。共获得5030条基因序列，最广泛涵盖了247个物种。基于蔓足类28S rRNA基因序列的系统发育结果显示浅海蔓足类物种来自深海，但浅海有柄类分支位于进化树基部，推测蔓足类物种在演化历程中存在深海到浅海、浅海到深海两种模式。基于蔓足类EF1-a、RP-Ⅱ基因序列构建的系统发育树与基于线粒体基因组的系统发育关系一致，且由于核基因的数据覆盖度更高，丰富了线粒体基因组揭示的总科之间的系统演化关系。.基于线粒体基因组的蔓足类适应性进化分析显示，深海蔓足类的线粒体基因组中13个PCGs均具有正选择压力，其中cox3和nad2基因具有正选择位点，分别在于22I和29T、73F和75S位置上。推测cox3和nad2基因在深海铠茗荷适应深海环境时受强烈的正选择作用，有助于深海铠茗荷抵御多重的深海环境压力。时间分歧树表明，早期的蔓足类物种出现在大概2.79亿年前（279 MYA），在深海与浅海的演化过程中可能存在着深海到浅海，浅海到深海两种演化历史。