濒危双壳类动物在极端事件下的种群特异性表型可塑性

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Population-specific phenotypic plasticity of endangered bivalves in response to extreme events

淡水贻贝种群对长期热应激的转录组响应及适应性研究

　　

安德烈·戈麦斯-多斯-桑托斯（André Gomes-dos-Santos）、曼努埃尔·洛佩斯-利马（Manuel Lopes-Lima）、贝阿特丽兹·席尔瓦（Beatriz Silva）、安德烈·M·马查多（André M. Machado）、鲁伊·平托（Rui Pinto）、马丁·奥斯特林（Martin Osterling）、马格努斯·洛文·瓦勒里乌斯（Magnus Lovén Wallerius）、玛丽亚·乌尔班斯卡（Maria Urbańska）、雅努什·戈尔斯基（Janusz Golski）、斯瓦沃米尔·鲁诺夫斯基（S?awomir Runowski）、桑德拉·卡兹米耶尔恰克（Sandra Ka?mierczak）、阿米尔卡·特谢拉（Amílcar Teixeira）、罗纳尔多·索萨（Ronaldo Sousa）、L·菲利佩·C·卡斯特罗（L. Filipe C. Castro）、保罗·卡斯特罗（Paulo Castro）、弗朗西斯科·卡瓦略（Francisco Carvalho）、埃尔扎·丰塞卡（Elza Fonseca）、埃尔莎·弗鲁费（Elsa Froufe）

水生生态与进化（AEE）小组——波尔图大学海洋与环境研究跨学科中心，波尔图莱肖恩斯游轮码头（Terminal de Cruzeiros do Porto de Leix?es），邮编4450-208，马托辛霍斯（Matosinhos），葡萄牙

摘要

淡水贻贝是受威胁最严重的动物群体之一，由于它们对淡水栖息地的严格依赖性，对气候变化极为敏感。虽然淡水贻贝通常被认为在生态上较为固定，但它们在广泛环境梯度中的分布表明可能存在由表型可塑性介导的种群特异性适应。

本研究调查了两种淡水贻贝（Unio pictorum和Unio delphinus）在地理和气候上不同的种群是否对长期热应力表现出不同的转录组反应，以及这些反应是否显示出局部适应的迹象。

我们在受控实验室条件下将这两种贻贝的北部和南部种群暴露在逐渐升高的温度中，模拟长期极端热事件，并使用RNA-seq技术量化差异基因表达。

结果显示，这两种贻贝的北部和南部种群在转录组反应的幅度和功能组成上存在显著差异。南部种群表现出强烈的表达变化，涉及经典应激途径、热休克蛋白、解毒（细胞色素P450）、细胞凋亡和能量代谢，而北部种群，尤其是U. delphinus，则表现出明显较弱的反应。值得注意的是，U. pictorum的北部种群即使在中等温度下也严重依赖细胞色素P450家族，而两种贻贝的南部种群在更高应力阈值下激活了更广泛的蛋白质稳态和免疫反应。

这些发现表明了明显的种群特异性表型可塑性，这种可塑性是由环境条件而非系统发育亲缘关系塑造的。这强调了保护策略需要超越物种层面的管理，将种内变异作为抵御气候影响的缓冲机制。随着气候变化的加速，保护种群内编码的进化潜力对于维护生物多样性韧性至关重要。

引言

淡水生态系统是全球生物多样性下降的一个关注点（Markovic等人，2017；Wacker等人，2024；Sayer等人，2025）。这些生态系统支持着所有已知物种的10%，其中25%面临灭绝威胁（Sayer等人，2025）。气候变化是一个主要问题，通过热事件频率和强度的变化带来了不可预测且日益加剧的压力（Wacker等人，2024）。由于气候变化，全球温度可能在21世纪中叶超过工业化前水平1.5–2°C（IPCC，2023；Capon等人，2021；Markovic等人，2017）。这同样适用于水生生态系统，即使温度小幅上升也可能威胁生物多样性（Capon等人，2021）。对于固着生活的淡水生物（如双壳类动物）来说尤其如此，它们不太可能改变其分布，表型可塑性（代谢、生理和行为）是它们主要的应对机制（Luo等人，2014；Le Luyer等人，2022；Cushway等人，2025）。

淡水贻贝（Unionida目）是一类分布全球的多样化双壳类动物（Graf和Cummings，2007），并被认为是受威胁最严重的动物群体之一（Lopes-Lima等人，2021；Lopes-Lima等人，2018；Sousa等人，2023）。该群体内的一些物种出现大规模死亡事件与热浪有关，据信多个物种已经接近其最高耐热限度（Cushway等人，2025）。值得注意的是，许多物种分布在多种环境中，其种群面临不同的温度条件（Luo等人，2014；Wang等人，2015），这表明它们具有很高的局部获得表型可塑性的潜力。

鉴于它们的三叠纪起源，淡水贻贝在多次全球气候变化中存活下来（Graf和Cummings，2007）。许多物种当前的分布和遗传多样性仍带有近期第四纪气候变化的强烈特征（Froufe等人，2014；Froufe等人，2016；Keogh等人，2025）。从进化角度来看，这些环境变化可能促进了适应机制的发展，这些机制受到遗传多样性和潜在表型可塑性的共同影响（Le Luyer等人，2022）。表型可塑性作为一种快速响应机制，可能对物种在当前环境变化速度下生存至关重要，可以在长期遗传适应发生之前起到缓冲作用（Le Luyer等人，2022）。因此，了解适应不同环境的同一物种的不同种群如何应对突然的温度升高，将为了解气候变化的真实影响提供宝贵见解。表型可塑性可能通过多种遗传机制产生（Scheiner，1993；Ding等人，2012；Gerdol等人，2020）。基因表达的变异性通常由遗传和表观遗传修饰的复杂相互作用调节，这是表型反应的主要驱动因素（Duncan等人，2014；Ghalambor等人，2015）。转录组方法经常依赖于在不同环境条件下比较基因表达谱型，这使它们成为研究表型可塑性和生理反应的强大工具（Kelly，2019；Rivera等人，2021）。

在这项研究中，我们利用转录组数据来研究两种淡水贻贝在模拟的长期极端热事件中的生态和地理上不同的种群的反应。研究重点物种是Unio pictorum（Linnaeus，1758），广泛分布于中欧和北欧，以及Unio delphinus Spengler，1793，这是一种伊比利亚特有种。这些物种表现出显著的栖息地可塑性，占据不同生态区的多种淡水生态系统（Lopes-Lima等人，2017），使其成为探索局部适应反应的理想模型。来自每个物种两个地理上分离的种群的个体在受控实验室条件下暴露在逐渐升高的温度环境中，使用鳃组织进行基于RNA-seq的基因表达分析。

我们的发现揭示了种群间和种内对热应力的显著特异性反应，表明可能存在受环境历史影响的局部表型可塑性。这些结果强调了在评估气候变化的影响和制定淡水贻贝保护策略时考虑种内表型可变性的重要性。

章节摘录

贻贝采样和实验室适应

成年个体于2023年夏季采集。Unio pictorum的样本来自瑞典的Viskan河（坐标57.759944，12.941361，水温20°C，n=9）和波兰的Pilica河（坐标50.909886，19.801080，水温20°C，n=9）。Unio delphinus的样本来自葡萄牙北部的Raba?al河（坐标41.409246，-7.165456，水温26°C，n=15）和葡萄牙南部的Vidig?o河（坐标37.892583，-7.303778，水温……

基因组图谱绘制、差异基因表达（DGEs）分析和功能表征

所有样本的读取序列与参考基因组的比对比例均超过90%。所有差异基因表达分析均从U. pictorum的41,435个基因和U. delphinus的39,359个基因开始（补充文件2）。为了表征对逐渐升高温度的不同反应，将25°C和30°C条件下饲养的个体与较低温度组（即20°C，或波兰南部种群的15°C）进行比较。

讨论

淡水贻贝代表了最多样化的淡水双壳类动物群体，某些物种（如Unio pictorum和Unio delphinusUnio pictorum是欧洲分布最广的淡水贻贝物种之一，其分布范围从英国延伸到俄罗斯的乌拉尔河并进入亚洲。它栖息于多种淡水生境中，包括河流、溪流、洪泛平原和湖泊，适应多种环境条件……

结论

本研究的结果清楚地表明了种群特异性的局部适应，这可能使这些物种能够在广泛的环境条件下生存，尽管它们的扩散能力有限。未来的研究应扩展到包括每个物种分布范围内的更多种群，以便检测适应梯度和服务水平的热阈值。此外，研究适应多态性和表观遗传修饰将是关键……

伦理和许可批准声明

本研究已获得CIIMAR伦理委员会和CIIMAR动物福利管理机构（ORBEA）的批准，符合欧盟指令2010/63/EU的规定。在准备手稿期间，作者使用了ChatGPT-4来提高可读性和纠正语法。所有内容均由作者彻底审阅和编辑，作者对发表文章的准确性和完整性负全责。

CRediT作者贡献声明

安德烈·戈麦斯-多斯-桑托斯（André Gomes-dos-Santos）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件使用、资源管理、方法论、数据分析、概念化。曼努埃尔·洛佩斯-利马（Manuel Lopes-Lima）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、监督、数据分析、概念化。贝阿特丽兹·席尔瓦（Beatriz Silva）：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。安德烈·M·马查多（André M. Machado）：撰写——审阅与编辑、软件使用、方法论、数据分析。鲁伊·平托（Rui Pinto）：撰写——审阅与……

资助

本研究是在项目EdgeOmics - 气候变化情景下的淡水双壳类动物适应性基因组学（PTDC/CTA-AMB/3065/2020）的支持下进行的，该项目由Funda??o para a Ciência e a Tecnologia（FCT）通过国家资金资助。Funda??o para a Ciência e a Tecnologia（FCT）还支持了AGS（2023.07625.CEECIND/CP2848/CT0010，DOI标识符https://doi.org/10.54499/2023.07625.CEECIND/CP2848/CT0010）、EF（CEECINST/00027/2021/CP2789/CT0003，DOI标识符//dx.doi.org/10.54499/CEECINST/00027/CP2789/CT0003

未引用的参考文献

Aldridge等人，2022年；Beninger等人，1993年；Cai等人，2008年；Calcino等人，2021年；Chen等人，2001年；da Silva等人，2022年；da Silva等人，2023年；da Silva等人，2024年；Ferreira-Rodríguez等人，2019年；Ganser等人，2015年；Gough等人，2012年；Graf和Cummings，2006年；Graf和Cummings，2022年；Haag，2012年；Haney等人，2020年；J?rgensen，1974年；Lang等人，2009年；Mammola等人，2020年；McDowell和Sousa，2019年；Modesto等人，2018年；Nogueira等人，2021年；Palmer等人，2008年；Pourmozaffar等人，2020年；Sousa等人，2018年；Strayer，2008年……

利益冲突声明

作者声明他们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

我们感谢三位匿名审稿人和编辑提供的有益意见和建议，这些意见和建议提高了手稿的质量。