单细胞系统基因组学揭示了海洋真核原生动物内共生体(顶复门)的主要类群

《Molecular Phylogenetics and Evolution》:Single-cell phylogenomics identifies major groups of marine eugregarine endosymbionts (Apicomplexa)

【字体: 时间:2026年01月20日 来源:Molecular Phylogenetics and Evolution 3.6

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  海洋原生动物系统发育与分类研究:通过对加拿大不列颠哥伦比亚省20种海洋无脊椎动物的单细胞转录组测序,揭示Gregarines形成六大部分谱系,其中五谱系寄生于环节动物,新增11个物种描述,并构建了基于SSU rDNA和142个蛋白质的分子系统发育树。

朴恩智(Eunji Park)|娜伊娜(Ina Na)|阿拉娜·克洛斯(Alana Closs)|凯尔·霍尔(Kyle Hall)|泰瑞尔·弗罗斯(Tyrel Froese)|丹雅·柯里-奥尔森(Danja Currie-Olsen)|昂丁·庞蒂埃(Ondine Pontier)|尼尔斯·范·斯廷基斯特(Niels Van Steenkiste)|帕特里克·J·基林(Patrick J. Keeling)|布莱恩·S·莱安德(Brian S. Leander)
加拿大不列颠哥伦比亚大学植物学系,温哥华

摘要

群体虫(Gregarines)是一类大型顶复门(Apicomplexa)寄生虫,它们感染多种无脊椎动物宿主,包括环节动物和节肢动物等种类繁多的群体。海洋群体虫占据了群体虫多样性的主要部分,但其系统发育关系仍知之甚少。为了扩展对海洋群体虫多样性和进化历史的了解,我们在加拿大不列颠哥伦比亚省的多个地点调查了无脊椎动物,特别关注环节动物。通过这项研究,我们获得了20种不同海洋群体虫的高质量单细胞转录组数据,其中包括9种已描述的物种和11种新发现的物种,这使该群体的系统基因组数据量翻了一番多。这些数据全面反映了在环节动物宿主体内发现的海洋群体虫的多样性,使我们能够基于小亚基核糖体DNA序列以及从142种蛋白质和44,802个氨基酸序列推断出的系统基因组树构建出更为完整的系统发育树。分析结果显示,海洋群体虫形成了六个主要谱系,其中五个谱系感染环节动物宿主:Ancoroidea、Lecudinoidea、Loxomorphoidea超科、Paralecudinoidea超科,以及一个由Belladina schistomeringa新属新种代表的独立谱系。这些发现有助于建立更为稳健的群体虫多样性分子系统发育框架并完善其分类体系。然而,一些最深层次的进化关系仍未得到解决,这突显了需要扩大分类单元采样范围以更准确地反映群体虫的真实多样性

引言

顶复门(Apicomplexans)是一类多样的单细胞寄生虫,其中包括一些著名的病原体,如疟原虫(Plasmodium,属于血虫门)和弓形虫(Toxoplasma,属于球虫门),它们会导致人类和其他脊椎动物感染疟疾和弓形虫病(Current and Garcia, 1991; Weiss and Dubey, 2009)。由于这些寄生虫对人类健康和经济的重大影响,它们受到了广泛研究。相比之下,群体虫虽然不感染人类,但由于其在物种丰富的无脊椎动物宿主(如环节动物和节肢动物)中的多样性和丰富性,仍发挥着重要的生态作用(Desportes and Schrével, 2013; Leander, 2008; Levine, 2018)。与其他需要中间宿主和终末宿主的顶复门寄生虫不同,群体虫的生命周期相对简单,仅涉及一个宿主(Perkins et al., 2000)。感染过程始于宿主摄入环境中的卵囊。在宿主体内,卵囊中的感染性孢子虫释放出来并侵入肠道壁,发育成较大的滋养体(trophozoites),这些滋养体栖息在细胞外空间(如肠腔)。随着成熟,两个滋养体会配对并进行融合,形成配子囊(gamontocyst),随后配子囊发育成配子(gametes)。这些配子通过有丝分裂产生雄性和雌性配子,最终融合形成合子(zygotes)。这些合子发育成卵囊,经过减数分裂产生多个孢子虫(例如4个或8个)。每个配子囊可含有数百个卵囊,最终通过宿主排泄或死后分解释放到环境中,从而延续感染循环(Desportes and Schrével, 2013; Schrével, 1969)。
在群体虫的发育阶段中,滋养体最为显眼且易于观察,因为它们体积较大、具有活跃的运动能力,并存在于宿主的肠腔内。因此,物种描述传统上基于滋养体的形态特征。然而,由于滋养体的形态特征有限、同一物种内存在形态变异以及分类文献分散(Clopton, 2009; Levine, 1977a; Perkins et al., 2000; Simdyanov et al., 2017),对群体虫的分类一直颇具挑战性。历史上,根据生命周期和滋养体形态,群体虫被分为三大类:Archigregarines、Eugregarines和Neogregarines(Grassé, 1953; Perkins et al., 2000)。Eugregarines进一步根据滋养体内是否存在横向隔膜分为有隔膜和无隔膜两种类型(Chakravarty, 1960; Levine, 1971)。然而,使用小亚基核糖体RNA基因(SSU rDNA)序列进行的分子系统发育分析表明,这些分类并不能反映真正的进化关系。例如,Neogregarines被证实是多系群,不同谱系嵌套在Eugregarines内部(Simdyanov et al., 2017)。同样,有隔膜的Eugregarines也不构成一个独立的支系,而是分散在无隔膜谱系中(Simdyanov et al., 2017)。虽然仅基于SSU rDNA序列的系统发育树无法确认群体虫和Eugregarines的单系性,但最近的系统基因组研究提供了强有力的证据,表明群体虫是单系的,包含两个主要亚群:一个由Archigregarines和Blastogregarines组成,另一个由Eugregarines组成(Janouskovec et al., 2019; Lax et al., 2024; Mathur et al., 2019)。
Eugregarines感染水生和陆地环境中的多种无脊椎动物宿主(Desportes and Schrével, 2013)。尽管SSU rDNA序列在解析主要群体虫群体之间的深层关系方面效果不佳,但已鉴定出几个不同的支系,形成了多个超科级分类单元(Clopton, 2009; Simdyanov et al., 2017):Actinocephaloidea Léger, 1892、Gregarinoidea Labbé, 1899、Cephaloidophoroidea Kamm, 1922、Lecudinoidea Kamm, 1922和Ancoroidea Simdyanov et al., 2017。感染陆地节肢动物的群体虫得到了更多的分类关注,从而确定了五个超科:Actinocephaloidea Léger, 1892、Stylocephaloidea Ellis, 1912、Dactylophoroidea Léger, 1892、Stenophoroidea Léger & Duboscq, 1903和Gregarinoidea Labbé, 1899(Clopton, 2009; Miroliubova et al., 2025)。然而,尽管海洋群体虫在分子和形态上具有显著的多样性,目前只有Lecudinoidea和Ancoroidea两个超科被确立为感染环节动物的群体虫。Cephaloidophoroidea包含感染甲壳类和被囊动物的海洋物种,但不包括任何与环节动物相关的分类单元(Rueckert et al., 2011a)。
历史上,Lecudinidae科(Lecudinoidea)被用作大多数海洋无隔膜群体虫的广义分类单元,但分子系统发育研究表明,类似的群体虫具有高度多样性,形成了多个独立的谱系(Levine, 1977a; Levine, 1976; Park and Leander, 2024a)。目前Lecudinoidea包括十个已确认的属:LecudinaLankesteriaDifficilinaLithocystisPterosporaUrosporaVeloxidiumUndulariusAmplectina和< />(Leander et al., 2006; Odle et al., 2024; Park and Leander, 2024a; Rueckert et al., 2015; Rueckert et al., 2011b; Rueckert et al., 2010; Rueckert and Leander, 2008; Simdyanov, 2004; Wakeman and Leander, 2012)。Ancoroidea包括AncoraPolyrhabdinaPolyplicarium(Janouskovec et al., 2019; Simdyanov et al., 2017; Wakeman, 2020)。还有一些其他谱系在这些超科中尚未分类,在基于SSU rDNA序列构建的系统发育树中形成长分支。例如,Paralecudina polymorpha最初因滋养体的形态相似性被归类为,但后来根据其独特的分子系统发育位置重新分类(Iritani et al., 2018b; Leander et al., 2003; Rueckert and Leander, 2010)。同样,LoxomorphaCuspisella(感染多毛类环节动物)以及Trichotokara(感染纽虫和单毛类环节动物)物种,在基于SSU rDNA序列构建的系统发育树中也表现出长分支(Iritani et al., 2018a; Rueckert et al., 2013; Rueckert and Leander, 2010)。
在这项研究中,我们在加拿大不列颠哥伦比亚省对海洋环节动物宿主以及其他无脊椎动物(如纽虫、棘皮动物和被囊动物)进行了为期两年的调查,以研究海洋群体虫的多样性。我们获得了20种已描述和未描述海洋群体虫的高质量单细胞转录组数据,使该群体的系统基因组数据量翻了一番多,为在单基因系统发育结果不确定时推断深层关系提供了有力支持(Boisard et al., 2022; Park et al., 2023; Salomaki et al., 2021)。例如,基于转录组和基因组数据的多基因系统发育在解析Archigregarines不同支系之间的深层关系方面非常有价值(Lax et al., 2024)。在这里,我们使用SSU rDNA序列推断单基因系统发育,并结合转录组和基因组数据集的多基因系统发育,以加深对海洋群体虫寄生虫的多样性、系统发育关系和分类的理解。这些数据还为11个新物种的鉴定提供了证据。

样本采集

海洋无脊椎动物样本从不列颠哥伦比亚省的四个不同地点采集:夸德拉岛(Hyacinthe Bay)、维多利亚(Ogden Pint)、班菲尔德(Grappler Islet)和温哥华(Stanley Park)(表1)。部分样本通过水肺潜水(深度6–12米)采集,部分在低潮时从岸边采集。采集到的动物要么在夸德拉岛的Hakai研究所生态观测站进行解剖,要么被运送到实验室进行处理

结果

从加拿大不列颠哥伦比亚省四个地点采集的环节动物、海参、纽虫和被囊动物中分离出了20种海洋群体虫(表1;补充图1)。这些物种属于五个主要谱系:Ancoroidea(图1A–D)、Lecudinoidea(图1E–O)、Paralecudinoidea超科(图1P–R)、Loxomorphoidea超科(图1S),以及一个由Belladina schistomeringa新属新种代表的谱系(我们将其归为分类位置不确定的物种)

群体虫分类的新超科系统

自19世纪以来,由于群体虫的多样性、丰富性及其在无脊椎动物宿主肠道腔和其他体腔内相对较大的细胞大小(即滋养体),人们一直对其进行研究。然而,仅基于滋养体的形态特征对其进行分类一直很困难(Grassé, 1953; Kamm, 1922; Levine, 1977a; Levine, 1971; Perkins et al., 2000; Rueckert et al., 2011b)。分子系统发育分析揭示了形态相似的群体虫实际上具有不同的进化关系

分类概述

门:顶复门(Apicomplexa)Levine, 1970。
纲:群体虫纲(Gregarinomorpha)Grassé, 1953,修订版:Simdyanov et al., 2017。
目:Eugregarinida Léger, 1900,修订版:Simdyanov et al., 2017。
超科:Ancoroidea Simdyanov et al., 2017
属:Polyrhabdina Mingazzini, 1891。
Polyrhabdina hyacinthensis 新种 Park and Leander
诊断特征:配子囊呈卵形至纺锤形。前后两端圆润。无隔膜。细胞核圆形,位于中心附近,略微偏向前端。具有滑动运动能力。

CRediT作者贡献声明

朴恩智(Eunji Park):撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 初稿,可视化,研究,数据分析,概念化。娜伊娜(Ina Na):撰写 – 审稿与编辑,研究,数据分析。阿拉娜·克洛斯(Alana Closs):撰写 – 审稿与编辑,资源提供。凯尔·霍尔(Kyle Hall):撰写 – 审稿与编辑,资源提供。泰瑞尔·弗罗斯(Tyrel Froese):撰写 – 审稿与编辑,资源提供。丹雅·柯里-奥尔森(Danja Currie-Olsen):撰写 – 审稿与编辑,资源提供。昂丁·庞蒂埃(Ondine Pontier):撰写 – 审稿与编辑,资源提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项工作得到了Tula基金会的Hakai研究所和加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC,项目编号2019-03986和2025-04268)对BSL的资助。PJK得到了Gordon and Betty Moore基金会的支持(https://doi.org/10.37807/GBMF9201)。IN获得了加拿大自然科学与工程研究委员会的奖学金以及不列颠哥伦比亚大学的四年奖学金。

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