“更迭守卫”：遗传谱系的替代作用——节肢动物中耐污染性的隐藏驱动因素

《Environmental Pollution》：The changing of the guard: Genetic lineage replacement as the hidden driver of pollution tolerance in Collembola

　　阿纳斯塔西娅·V·斯特里乌奇科娃|叶夫根尼·L·沃罗贝伊奇克|娜塔莉娅·A·库兹涅佐娃
莫斯科师范学院生物与化学研究所，莫斯科，129164，俄罗斯

**摘要**
土壤中有毒物质的污染对陆地生态系统构成了严重且持久的威胁。弹尾目（Collembola）常被用作土壤健康状况的生物指标。在俄罗斯中乌拉尔铜冶炼厂附近明显的污染梯度上，弹尾虫Parisotoma notabilis即使在重度污染区域也能保持较高的种群密度。我们推测，这种抗性是由于不同种内遗传谱系占据了污染梯度的不同部分所促成的。通过对污染梯度上采集的弹尾虫样本进行28S rRNA基因的分子分析，发现了四种谱系：L1、L2、L4-Hebert以及一个新发现的谱系L-East。这些谱系在污染梯度上的分布存在显著差异：L1主要分布在污染最严重的区域，L2仅限于未受污染的森林中，而L4-Hebert和L-East则在整个梯度上均有存在。我们的研究结果表明，要全面理解生物对有毒压力的响应，需要从物种层次转向种内遗传层次，并强调了在标准生态毒性测试中考虑种内多样性的重要性。这些发现还表明，使用基因异质性的实验室培养物可能会产生不具代表性或不一致的结果。因此，建议制定新的标准，强制使用经过认证的特定遗传谱系的测试生物。对于环境监测而言，P. notabilis，特别是其L1谱系，显示出很高的潜力，因为L1谱系数量的增加可靠地反映了土壤健康状况的下降。

**引言**
土壤中潜在有毒金属（PTMs）的污染是人类对陆地生态系统影响最严重的形式之一。与许多有机污染物不同，PTMs不会自然分解，并在土壤中积累，成为土壤生物长期暴露的来源（Alloway, 2012）。大型有色金属冶炼厂周围通常会形成明显的PTM浓度梯度，使得这些受污染的环境成为研究长期毒性压力对生物影响的理想模型系统。沿着污染梯度，许多土壤动物群的丰度和物种丰富度普遍呈下降趋势（例如，Vorobeichik等，2019, 2024）。土壤生态系统因污染而退化的最终阶段表现为“工业荒地”——几乎完全缺乏植被和表土的“月球景观”（Kozlov & Zvereva, 2007）。
在小型节肢动物中，弹尾目（Collembola）常被认为是土壤健康的有效指标（van Straalen, 1997, 2004）。已有研究表明该类群对PTMs的敏感性存在物种间的差异（Filser等，2000；Gillet & Ponge, 2003）。这种特异性表现为敏感物种的丰度沿污染梯度呈可预测的下降（Fountain & Hopkin, 2004；Kuznetsova, 2009；Winkler等，2018），而耐受物种的种群密度则相对稳定。由于这一因素，受污染区域的弹尾虫总体丰度可以保持较高（Kuznetsova, 2002）。例如，在宾夕法尼亚州一个锌矿1公里范围内，弹尾虫的平均密度超过6,000只/平方米（Strojan, 1978）；在乌拉尔地区的一个铜冶炼厂附近，这一密度达到了12,000只/平方米（Kuznetsova, 2009）。然而，这两个数值都明显低于温带森林中典型的30,000只/平方米的丰度（Potapov等，2023）。弹尾虫的耐受性与一些其他土壤无脊椎动物对PTM污染的响应形成对比——后者缺乏这种耐受性。例如，蚯蚓和软体动物在铜冶炼厂附近可能完全消失（例如，Vorobeichik等，2019, 2022）。已经确定了多种使弹尾虫能够在污染条件下生存的机制（Hopkin, 1997）。最近的研究还发现，这些机制包括负责排出各种异生物质的外周膜蛋白，这些蛋白已被证明在去除金属方面有效（Lopes等，2024）。
根据“遗传侵蚀”概念，高度污染的土壤会导致土壤动物的遗传多样性丧失（van Straalen & Timmermans, 2002）。对于弹尾虫，Orchesella cincta已经证明了这一点（Posthuma等，1993）。然而，使耐受性弹尾虫物种在极高污染水平下得以存活的种群遗传机制仍未完全理解，特别是种内分化与高生理可塑性的相对作用。

**生物对污染的响应**
生物对污染的响应通常在物种或更高分类群水平上进行评估，偶尔也在生态类群水平上进行（Berthet等，2011）。关于分析无脊椎动物群落对环境压力响应的适当分类学分辨率一直存在争议，主要集中在物种与超物种水平之间（例如，Berg & Bengtsson, 2007）。相比之下，种内变异的作用受到的关注较少。然而，水生生态毒理学的研究表明，标准测试物种（如甲壳类动物（例如Daphnia magna和Hyalabella azteca）、鱼类（例如Danio rerio）以及双翅目幼虫（例如Chironomus riparius）的实验室培养物在污染物敏感性上可能与自然种群存在显著差异（Berthet等，2011）。这种差异表明种内分化可能具有重要意义，尤其是在长期受到了实地污染影响的陆地无脊椎动物中。

**种内分化的潜在影响**
从进化生态学的角度来看，种内分化的影响例子非常明显。一个典型的例子是胡椒蛾Biston betularia的工业黑化现象。19世纪英国工业革命期间，其黑化形式（carbonaria）的传播提供了一个自然选择作用的经典但并非唯一的例子。20世纪中叶，物种翅膀颜色模式（typica/carbonaria）的空间变化与选择性捕食及潜在的基因突变直接相关（Kettlewell, 1965；Van’t Hof等，2016）。随后这些形态频率随污染水平的改变而变化，同样具有重要意义。这不仅展示了深刻的生态和进化响应，也表明了种内变异在实用生物监测中的巨大潜力。

**分子方法的发展**
分子方法的发展极大地推进了土壤无脊椎动物种内变异性的研究。常规基因分型技术能够识别多个群体中的不同遗传谱系，包括蜈蚣（Wesener等，2015；Bharti等，2023）、蚯蚓（King等，2008；Shekhovtsov等，2013）、螨虫（Sch?ffer等，2019；Pfingstl等，2021）和弹尾虫（Porco等，2012a，2014）。Danilova等（2025）的最新综述指出，识别土壤中型动物的隐秘多样性需要使用线粒体（例如COI，16S）和核（例如28S，H3）标记。

**种内谱系的生态分化**
在某些情况下，种内谱系表现出不同的栖息地偏好，表明物种内部存在生态分化。例如，在几种弹尾虫物种（Lepidocyrtus lanuginosus、Parisotoma notabilis和Isotomiella minor）中，不同谱系分别偏好人为干扰或未受干扰的栖息地（Zhang等，2018；Striuchkova等，2022；Fedi?ová等，2025）。对Oppiella nova螨虫的研究发现，森林和草地中存在不同的遗传谱系，它们共存于过渡性栖息地中（Saltzwedel等，2014）。另一个显著的例子是蚯蚓Lumbricus rubellus，在一个铅矿区，两种遗传谱系占据了不同的微生境（Andre等，2010）。

**巴黎otoma notabilis的研究**
在弹尾虫中，种内遗传结构在广布的孤雌生殖物种Parisotoma notabilis中研究最为深入（Sch?ffer, 1896），使用了COI和28S基因（Porco等，2012b；Saltzwedel等，2014；Striuchkova等，2024）。研究表明，随着城市化进程和农业活动后的演替，基因谱系在空间上发生了持续替换（Striuchkova & Kuznetsova, 2024）。实验室实验揭示了“森林”和“城市”谱系在生物学和生态生理学上的差异。值得注意的是，生态毒性测试表明L1谱系对铜盐和铅盐的耐受性高于L2和L4-Hebert谱系（Striuchkova等，2025）。明显的生殖和生态生理差异，加上谱系间的显著遗传分化（Striuchkova等，2024，2025），可能表明将这些谱系分类为独立亚种甚至物种是合理的。然而，P. notabilis谱系的分类地位尚未确定，主要是因为其广泛分布的谱系之间缺乏明确的形态学差异（M.Potapov，个人交流）。因此，弹尾目分类学家普遍不愿将这些谱系正式提升为物种或亚种，因为他们认识到这会给土壤动物和生态学专家带来实际困难。这种情况凸显了广泛分布的弹尾目物种中存在的深刻种内分化以及进一步研究的必要性。

**研究案例**
2002–2004年对中乌拉尔铜冶炼厂污染区域进行的弹尾虫研究表明，P. notabilis在整个污染梯度上的所有地点都保持了高丰度，包括工厂附近区域（Kuznetsova, 2009）。我们提出并测试了这种生态成功是否可归因于栖息在污染梯度不同部分的不同遗传谱系。我们进一步假设，由于土壤中PTM浓度的空间变异性（Vorobeichik & Pozolotina, 2003），即使在相对均匀的污染区域内，不同遗传谱系也可能表现出不同的微生境偏好。

**研究区域**
中乌拉尔铜冶炼厂（MUCS）于1940年开始运营，位于斯维尔德洛夫斯克州雷夫达市附近的南部泰加林中，距叶卡捷琳堡以西约50公里（北纬56.844度，东经59.879度）。历史上，它是俄罗斯最大的大气污染源之一，1970年代的排放量达到每年约35万吨。该工厂的排放物包括气体成分（SO2、NOx和HF）以及含有高浓度污染物的灰尘。

**结果**
28S rRNA基因的分子分析显示，在研究区域内存在四种不同的P. notabilis遗传谱系：L1、L2、L4-Hebert和一种新发现的谱系L-East（GenBank登录号PX853979–PX854013）。为了验证这一新谱系，还获得了COI基因序列（GenBank登录号PZ194258–PZ194263）。通过对合并数据集的系统发育分析，确认了L-East的独特性，支持其作为独立谱系的地位。

**结论**
我们的研究首次记录了弹尾目物种（以及可能的所有土壤节肢动物）的种内遗传谱系沿严重长期污染梯度的可预测性变化。P. notabilis谱系的差异分布表明，耐受性强的L1谱系主要分布在污染严重的区域，而敏感的L2谱系仅限于未受污染的森林中，揭示了该物种抵抗有毒压力的关键种内机制。

**作者贡献声明**
叶夫根尼·L·沃罗贝伊奇克：撰写、审阅与编辑、资源获取、研究。
阿纳斯塔西娅·V·斯特里乌奇科娃：撰写、审阅与编辑、原始草稿写作、可视化、研究、数据分析。
娜塔莉娅·A·库兹涅佐娃：撰写、审阅与编辑、监督、方法学研究、资金获取、概念化。

**参考文献**
ISO, 2023; Korkina and Vorobeichik, 2021; Mikryukov and Dulya, 2017; Potapov et al., 2024; Striuchkova, 2023; Tully and Ferriere, 2008; von et al., 2014.

**资助**
本研究得到了俄罗斯科学基金会的支持，资助编号为22-24-00984。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
作者感谢Peter Pishchulin在野外工作上的帮助，感谢Mikhail Potapov的深入讨论，以及Maxim Zolotarev在绘制图形摘要方面的协助。特别感谢Peter Convey在英文文本编辑上的详尽帮助。埃夫根尼·沃罗贝伊奇克的这项研究是在俄罗斯科学院乌拉尔分院植物与动物生态研究所的研究计划框架下完成的。