生态差异与生殖隔离共同塑造日本三刺鱼同域物种基因组分化与渐渗的共享与独特模式

《Molecular Ecology》：Shared and Unique Patterns of Genomic Differentiation and Introgression Between Japanese Stickleback Species Across Three Sympatric Sites

本文综述了日本三刺鱼同域物种对基因组分化与渐渗的共享与独特模式。研究通过比较三个同域位点（包括新发现的冲根部河系统，其包含洄游型日本海三刺鱼（Gasterosteus nipponicus）和定居型三刺鱼（G. aculeatus）），揭示了生态差异（如洄游行为差异）即使对于具有强生殖隔离的远缘物种，也能通过限制基因流动促进基因组分化。研究发现，与生态相似物种对相比，生态分化物种对具有更多高分化基因组区域和更少的渐渗区域，且这些模式在不同系统中部分共享。研究强调了比较生态分化程度不同的同域物种对，对于理解生态分歧在物种形成中的作用具有重要意义。

　　

2 材料与方法

研究首先在日本北海道标津町的冲根部河系统（包括冲根部河和冲根部塘）发现了一个新的三刺鱼属（Gasterosteus）物种同域分布点。通过形态学、稳定同位素分析和基因组学（ddRAD-seq和全基因组测序WGS）方法，鉴定该同域对由日本海三刺鱼（G. nipponicus）和三刺鱼（G. aculeatus）组成，并发现该系统中G. nipponicus为溯河洄游型（anadromous），而G. aculeatus为淡水定居型（resident），这与之前研究的两个同域位点（Bekanbeushi和Tokotan河系统，两者均为洄游型）形成对比。研究收集了2013、2021、2022和2023年的样本，进行了群体遗传学（admixture分析、F_ST、d_XY、f_d统计量计算）、形态测量、稳定同位素（δ¹³C, δ¹⁵N）分析、胃内含物分析以及性腺发育（流式细胞术、组织学、性类固醇激素LC-MS/MS测量）等分析，并与之前研究的两个同域对及一个异域对进行比较。

3 结果

3.1 冲根部河系统中的三刺鱼物种组成与杂交

在冲根部系统中确认存在三种刺鱼：G. aculeatus、G. nipponicus和淡水型Pungitius。admixture分析显示，在304个Gasterosteus个体中仅发现4个F₁杂交体和2个回交BC₁个体，表明两个物种尽管存在低频率杂交，但基本保持了生殖隔离。冲根部塘和河中的同种鱼类之间基因组分化水平极低（F_ST平均值分别为0.0065和0.0063），表明鱼类可在河塘间移动。

3.2 溯河洄游型G. nipponicus与定居型G. aculeatus的同域对**

稳定同位素分析显示，G. nipponicus与G. aculeatus及淡水型Pungitius利用不同的食物链资源，提示G. nipponicus为洄游型，而G. aculeatus为定居型。形态上，G. nipponicus雌性体型更大，且具有更长的背鳍棘，符合洄游鱼类的特征。与另外两个同域系统的G. aculeatus相比，冲根部种群体型更小。这些结果支持冲根部对是生态分化（洄游vs定居）的物种对。

3.3 冲根部系统中G. aculeatus和G. nipponicus成鱼的共存**

性腺发育分析显示，所有G. nipponicus雄鱼均处于繁殖期（Stage 3），而G. aculeatus雄鱼则存在不同发育阶段（Stage 1-3），体型较小（SL < 45 mm）的G. aculeatus雄鱼未参与繁殖，表明两个物种的繁殖期存在重叠但非完全同步，时间隔离不完全。

3.4 三个河系统间基因组水平遗传分化与渐渗模式的比较

全基因组水平上，冲根部对的F_ST平均值（0.770）与Bekanbeushi对（0.768）相近，高于Tokotan对（0.719）。不同系统间的F_ST值高度相关。通过隐马尔可夫模型HMM鉴定出的高F_ST和低F_ST区域在不同系统间显著重叠，但冲根部对具有更多的高F_{ST>窗口和更少的低FST窗口。FST与重组率呈负相关。与异域对的比较表明，大部分基因组分化变异并非由同域基因流引起，而可能源于物种水平的历史基因流或种内遗传多样性。}

3.5 不同河系统间渐渗模式的共享性与独特性

f_d分析检测到基因渐渗区域。冲根部对的高f_d窗口数量（169）少于Bekanbeushi对（208）和Tokotan对（234），但不同系统间的高f_d区域存在显著重叠。高f_d区域的F_ST较低，而重组率较高。与异域对比较发现，部分高f_d区域反映的是物种水平的基因流，但同域对中的大部分高f_d区域是特定于一个或少数同域对的，表明存在独立的局部基因流。冲根部对特有的高f_d窗口数量最少（16个）。系统发育分析证实了一些G. aculeatus个体携带G. nipponicus来源的单倍型，表明近期发生了渐渗。未发现与已知染色体倒位重叠的、冲根部对特有的高分化或低渐渗区域。

4 讨论

4.1 溯河洄游型G. nipponicus与定居型G. aculeatus的新同域对**

多项证据表明冲根部对是生态分化的物种对。生态差异（洄游vs定居）可能通过选择抵制移民或适应性不适的杂交后代，从而限制基因流，维持较高的基因组分化。除生态隔离外，行为隔离（求偶行为差异）和内在杂交不亲和性（杂交雄性不育）等非生态隔离屏障也共同起作用。

4.2 日本三刺鱼物种三个同域位点基因组分化与渐渗模式的共享性与独特性

不同同域对之间基因组分化（F_ST）和渐渗（f_d）的整体模式相似，表明这些模式在很大程度上是共享的，可能由基因组区域间重组率的变异等因素驱动。然而，也发现了一些系统特异性的渐渗区域，反映了局部的基因流。与生态相似的同域对相比，生态分化的冲根部对（洄游-定居）表现出更多的高分化基因组区域和更少的渐渗区域，提示生态分歧在限制基因流方面发挥作用。需要进一步研究这些一致性和独特性基因组区域的功能，以深入理解生态分歧的遗传基础。

作者贡献与致谢

G.O.和J.K.构思项目、解读结果并起草手稿。多位作者参与了数据分析、野外研究、测序和实验。计算部分在ROIS国立遗传学研究所的NIG超级计算机上完成。研究得到了JSPS和JST的经费支持。

伦理声明

所有动物实验均经国立遗传学研究所动物护理与使用委员会批准。

数据可用性

本研究的数据公开存放在DNA Data Bank of Japan和Dryad数据库中。