摘要
生物入侵是当今国际上最严重的生态环境问题之一，对入侵地带来巨大的生态威胁和经济损失。大量的研究表明，局域适应(local adaptation)是导致生物适应不同环境的一个重要原因。对于局域适应的过程和机理，传统的观点认为，基于DNA序列变异的自然选择是局域适应的重要机制。但入侵生物能够在短时间内完成栖息地的转换并爆发成灾，不仅从现象层面对传统基于DNA遗传变异的自然选择理论提出挑战，也要求从理论层面上对现有局域适应的机理做出必要的补充和完善。最近的研究表明，不基于DNA序列改变的表观遗传修饰（如DNA甲基化）也可影响物种对环境的适应性，从而为入侵生物快速局域适应机制的解析提供新的思路。 随着全球海洋船舶运输业的快速发展，由船舶介导的海洋生物入侵事件在全球范围内频发，对入侵地的水产养殖业、旅游业、生态环境及人类的健康等带来巨大的潜在威胁，但海洋入侵生物局域适应的机制仍然不清晰。史氏菊海鞘（Botryllus schlosseri）是一种广泛分布的海洋入侵生物，通过与入侵地的海洋生物竞争空间和食物资源，导致入侵地的海洋生物丰度下降，甚至导致某些种类的灭绝，而其本身得到了大量的繁殖，对入侵地带来了巨大的生态威胁。其较广的地理分布及较小的基因组(580Mb)使其成为研究局域适应的良好材料。 本文紧紧围绕海洋入侵生物局域适应的机制这一关键科学问题，采用全球分布的入侵生物史氏菊海鞘为研究对象，利用简化基因组和简化甲基化组测序技术，从遗传变异和表观遗传修饰两个层面解析海洋入侵生物局域适应的机制。主要结果及结论如下: 1.开发出史氏菊海鞘高质量SNP分子标记 本研究利用简化基因组测序技术（2b-RAD），开发出8363个高质量的SNP分子标记。这些高质量的SNP位点在基因组上具有较高的覆盖度，在染色体上呈现均匀分布的模式，平均每49，367bp开发出一个SNP。SNP的转换与颠换的比率较低(1.36)，且大部分SNP(53.84％)被定位到基因及其上下游区域，表明史氏菊海鞘可能具有较高的氨基酸替换率。本研究中开发出的SNP分子标记可作为史氏菊海鞘基因组的一个重要资源，可用于随后史氏菊海鞘精细种群遗传结构、种群内遗传变异及种群间遗传分化程度的解析，以及适应性SNP位点和候选基因的鉴定。 2.环境因子驱动的遗传结构 基于8363个SNP分子标记，本研究结果显示遗传多样性参数在种群间存在较大的差异，以及种群间的遗传分化(FST)也产生显著的差异，且两者均与环境因子呈现显著的相关性，表明环境因子在种群内的遗传变异及种群间的遗传分化过程中起着重要的作用。PCA、DAPC及系统发育树的结果均表明全球分布的9个地理学史氏菊海鞘种群可划分为5个遗传簇，且5个簇的环境因子（如温度的最小值）呈现明显的环境梯度，进一步说明了种群遗传分化过程中环境因子所起的重要的作用。除此之外，基于适应性位点的种群遗传分化与群体间的环境因子具有极强的相关性，表明环境因子驱动着适应性的遗传分化。尽管基于中性SNP位点的分析结果表明中性过程（如遗传漂变）也可能对种群的分化产生影响，但基于所有SNP位点的结果表明遗传分化系数与大部分海洋表面的环境因子仍然呈现显著的相关性，表明环境因子是驱动群体间遗传分化的主要因素。为解析史氏菊海鞘局域适应的遗传学基础，本研究利用多种方法鉴定出了大量的适应性SNP位点及候选的适应性基因（如PTPRA），这些基因主要集中在组织及器官的形成、多糖代谢的调控、细胞间的黏着及离子运输等通路上，表明这些基因可能参与到海洋环境因子的局域适应过程中。这些结果说明了在全球地理尺度下，海洋环境条件的差异极大地决定着海洋无脊椎动物的种群遗传分化及种群遗传结构;同时也阐明了遗传变异在海洋入侵生物快速局域适应过程中的潜在分子机理。 3.环境因子驱动的表观遗传结构 在表观遗传水平，本研究共开发出18625个甲基化(CCGG)位点。基于这些甲基化位点可将9个地理上种群划分为两个分化显著的表观遗传簇，且两个表观遗传簇的大部分环境因子呈现显著的差异，暗示了环境因子对表观遗传分化也起着重要的作用。进一步的环境关联分析结果表明基于所有位点的表观遗传分化水平及基于适应性位点的表观遗传分化均与环境因子呈现显著的相关性，而基于中性甲基化位点的表观遗传分化与环境因子不呈现明显的相关性，这些结果表明环境因子也可能是导致表观遗传分化的主要原因。本研究也鉴定出了大量的适应性甲基化位点及候选的适应性基因(如PTPRD及GCLC)，这些位点及基因在染色体上呈现均匀分布的模式，且其功能主要集中于泛素介导的蛋白降解、免疫相关的通路及细胞周期等通路上，表明史氏菊海鞘可以通过表观修饰的方法对这些位点及基因进行调控以适应环境条件的变化。在全球地理尺度下，本研究结果清楚地证实了海洋环境条件是决定海洋无脊椎动物的表观遗传分化及表观遗传结构的主要进化驱动力;同时也证明了表观遗传修饰在海洋入侵生物快速局域适应过程中起着重要的作用。 4.遗传变异和表观遗传变异以互补的形式共同促进生物的局域适应 从两种水平适应性位点功能层面考虑，我们的结果显示两种水平的候选适应性基因及KEGG通路具有较低的重叠率，大部分候选适应基因及KEGG通路是遗传水平或表观遗传水平所特有的，表明遗传变异与表观遗传修饰在来源上可能相互独立但在功能上是相互补充的关系。除此之外，两种水平的候选适应性基因富集出的主要KEGG代谢通路存在差异。例如，在遗传水平糖代谢通路具有最显著的富集水平，而在表观遗传水平泛素介导的蛋白降解通路具有最显著的富集水平，且这些主要的差异KEGG通路均在环境适应过程中起重要作用，进一步表明了遗传变异位点与表观遗传修饰位点在局域适应过程中存在互补性。
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