揭秘西北太平洋沙鳗：从基因组 SNP 探索其神秘演化与分类真相

为解决东海沙鳗分类地位模糊问题，釜庆国立大学研究人员开展沙鳗基因组 SNP 及系统地理学研究。结果表明东海沙鳗很可能是 A. heian，杂交罕见。该研究为沙鳗演化和分类提供关键依据，推荐科研读者阅读。

　　

在神秘的海洋世界里，沙鳗（Ammodytes spp.）虽身形小巧，却有着举足轻重的地位。它们是众多海洋生物的重要食物来源，在西北大西洋，就有 72 种区域捕食者以沙鳗为食，其中包括 45 种鱼类、2 种鱿鱼、16 种海鸟和 9 种哺乳动物。在韩国、日本和中国，沙鳗对渔业和生态系统同样意义非凡。

然而，围绕沙鳗却存在不少令人困惑的问题。在韩国，从东海和黄海捕获的沙鳗在很多方面都有明显差异，比如线粒体（mt）DNA 序列、脊椎骨的大小和数量、早期生活史以及产卵地等。过去的研究表明，北太平洋的沙鳗种类分布较为复杂，Ammodytes personatus 仅分布于东太平洋，而 Ammodytes japonicus 和新物种 Ammodytes heian 则出现在西太平洋。基于此，推测 A. heian 可能存在于东海，A. japonicus 可能存在于黄海和朝鲜海峡。

但后来的研究又让情况变得更加复杂。通过对东海、朝鲜海峡、黄海和鄂霍次克海沙鳗的 mtDNA 序列和微卫星（ms）比较，发现这两个物种之间存在单向基因渗入现象。mtDNA 和 ms 结果显示，黄海和朝鲜海峡的沙鳗为 A. japonicus，鄂霍次克海的为 A. heian，而东海沙鳗用 mtDNA 鉴定为 A. heian，用 ms 鉴定却为杂交种。这一发现使得东海沙鳗的分类地位变得模糊不清，因此，迫切需要从基因组层面开展系统的种系地理学研究，以深入了解沙鳗物种形成的演化过程。

为了解开这些谜团，釜庆国立大学（Pukyong National University）的研究人员 Jin-Koo Kim 和 Yu-Jin Lee 在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Genome-wide SNP discovery and phylogeography of sandlances (Ammodytes japonicus and Ammodytes heian) in the Northwest pacific by MIG-Seq with evolutionary implications” 的论文。他们通过研究得出结论：基于单核苷酸多态性（SNP）的遗传特征与 mt 结果相似，但与 ms 结果存在一定差异，表明东海（GI 和 JU 地区）的沙鳗很可能是 A. heian，且杂交现象较为罕见。这一研究成果为沙鳗的分类和演化研究提供了重要依据。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，采用 MIG-Seq（Multiplexed intersimple sequence repeat genotyping by sequencing）技术，这是一种基于聚合酶链反应（PCR）的高效且经济的基因组水平 SNP 识别方法；其次，利用高通量测序技术对构建的文库进行测序；最后，运用多种生物信息学分析方法，如使用 Stacks 软件进行 SNP calling 和相关信息生成，利用 Genodive、STRUCTURE 等软件进行遗传指数计算和种群结构分析，通过 RAxML 和 Phylogears2 进行系统发育分析，借助 R 语言进行主成分分析（PCA）和 Wilcoxon 秩和检验等 。

下面让我们详细看看研究人员都有哪些重要发现。

遗传多样性

研究人员从韩国的四个地区（东海的 Gijang 和 Jumunjin、朝鲜海峡的 Tongyeong、黄海的 Baengnyeongdo）以及日本的一个地区（鄂霍次克海的 Wakkanai）选取了 48 条沙鳗进行研究。经 mtDNA 序列分析确定它们分别属于 A. japonicus 和 A. heian。对这些样本进行测序后，共获得 99,175,917 条原始读数，去除低质量读数后，得到 74,195,010 条。经过分析，发现了 10,545 个区域特异性 SNP。通过这些 SNP 对不同地区 A. japonicus 和 A. heian 的遗传多样性进行比较，结果显示，多态性位点比例在 Tongyeong 最高（0.565），在日本的 Wakkanai 最低（0.489）；观察杂合度（H₀）在 Jumunjin 最高（0.159），在 Tongyeong 最低（0.129）；核苷酸多样性（Pi）也是在 Jumunjin 最高（0.204），在 Wakkanai 最低（0.169）；近交系数（F_IS）则在 Baengnyeongdo 最高（0.172），在 Wakkanai 最低（0.079）。

遗传分化

研究人员比较了不同地区沙鳗的固定指数（F_ST），发现 Baengnyeongdo 和 Tongyeong 之间、Jumunjin 和 Gijang 之间的 F_ST值没有显著差异，分别为 0.001 和 - 0.003。但 Gijang 和 Wakkanai 之间（0.014）、Jumunjin 和 Wakkanai 之间（0.025）有轻微差异，而 Tongyeong 和 Wakkanai 之间的 F_ST值差异最大，达到 0.501。另一个分化指数（G’_ST）的比较结果也类似，Gijang 和 Jumunjin 之间、Baengnyeongdo 和 Tongyeong 之间没有显著差异，但 Tongyeong 和 Wakkanai 之间（0.496）、Baengnyeongdo 和 Wakkanai 之间（0.446）差异较大。有趣的是，尽管 Tongyeong 和 Gijang 距离很近（仅 80 公里），但它们之间的 F_ST值高达 0.421，这表明两个地区之间存在很强的生物地理屏障。

遗传结构

通过结构分析，研究人员发现当 K = 3 时，delta K 值最优，这意味着五个地区的沙鳗可能由三种基因型组成。当 K = 2 时，Baengnyeongdo 和 Tongyeong 的沙鳗除了 38 号个体外，都属于单一的绿色基因型（A. japonicus），而 Wakkanai 的沙鳗则属于单一的红色基因型（A. heian）。相比之下，Gijang 和 Jumunjin 的种群是两种基因型的混合，且红色基因型（A. heian）占主导。当 K = 3 时，Gijang、Jumunjin 和 Wakkanai 的沙鳗主要由蓝色基因型（A. heian）组成，而 Tongyeong 和 Baengnyeongdo 的沙鳗则以红色基因型（A. japonicus）为主。此外，还有一种绿色基因型在所有地区都存在，只是比例较低。通过比较 Gijang 和 Jumunjin 的沙鳗，发现两个物种之间可能存在基因渗入现象，但除了 Gijang 的两个个体（11 号和 18 号）和 Jumunjin 的两个个体（24 号和 27 号）外，A. japonicus 的遗传组成不到 10%，这说明在东海，这两个物种之间的杂交现象非常罕见。

系统发育关系

研究人员分别使用 10,545 个 SNP 和 55,026 个 SNP 进行主成分分析（PCA）和系统发育分析。根据 PC 1 - 2 轴，A. japonicus 群体倾向于位于正 PC 1 轴和负 PC 2 轴，而 A. heian 群体倾向于位于负 PC 1 轴和正 PC 2 轴。在 PC 2 - 3 轴上，A. japonicus 群体倾向于位于两个负轴，A. heian 群体位于两个正轴。有趣的是，一些个体在 PC 1 - 2 轴和 PC 2 - 3 轴上的归属发生了变化，比如 24 号和 27 号个体从 PC 1 - 2 轴上的 A. japonicus 转移到了 PC 2 - 3 轴上的 A. heian。通过 Wilcoxon 秩和检验，在 PC 1、PC 2 和 PC 3 轴上都能明显区分这两个物种。PCA 结果与系统发育分析结果大致相符，系统发育树显示出两个明显的聚类，A. japonicus 群体由来自 Baengnyeongdo 和 Tongyeong 的个体组成，A. heian 群体由来自 Gijang、Jumunjin 和 Wakkanai 的个体组成，但 Baengnyeongdo 有一个个体（B38）属于 A. heian 群体，Jumunjin 有一个个体（J29）属于 A. japonicus 群体，这表明它们的归属存在一定不确定性。

综合研究结果，研究人员重新评估了沙鳗的进化历史。他们发现，MIG - Seq 方法得到的 SNP 结果比 ms 结果更接近 mtDNA 分析结果。例如，基于 mtDNA 被鉴定为 A. japonicus 的 Baengnyeongdo 和 Tongyeong 的沙鳗，除了个别个体外，基于 SNP 结果也被确认为 A. japonicus；而在杂交率较高的 Gijang 和 Jumunjin 地区，基于 mtDNA 和 ms 被鉴定为 A. heian 或杂交 / 回交的个体，大多通过 SNP 分析被确认为 A. heian 。不同遗传标记之间的差异可能是由于物种快速形成、不完全谱系分选、基因渗入、性别偏向扩散或选型交配等原因造成的。在沙鳗的研究中，ms 检测到的基因渗入可能是由于位点数量有限或无效等位基因导致的偏差，也可能是样本量或地理覆盖范围的问题。此外，沙鳗可能经历了复杂的进化历史，在冰川和间冰期，不同谱系之间可能发生了多次隔离和重新连接事件。

从分类学角度来看，SNP 研究结果更支持将东海沙鳗和黄海 + 朝鲜海峡沙鳗分别认定为 A. heian 和 A. japonicus。虽然传统上认为脊椎骨数量是区分沙鳗种群的有用形态特征，但最新研究表明，它受环境因素影响较大，可能不是区分两个物种的关键特征。而峡部黑色素细胞的形状、幼虫期头长与体长的比例以及产卵地的分离等特征，更能支持 A. heian 和 A. japonicus 是不同物种的观点。

这项研究意义重大，它为沙鳗的分类和进化研究提供了新的视角和重要依据。通过基因组层面的研究，我们对沙鳗的遗传多样性、种群结构有了更深入的了解，这有助于更好地保护和管理沙鳗资源。同时，研究中发现的不同遗传标记之间的差异以及复杂的进化历史，也为其他物种的研究提供了参考，让我们认识到在物种研究中综合考虑多种因素的重要性。未来，还需要对包括 A. hexapterus 和 Ammodytes personatus 等在内的密切相关物种进行更全面的基因组分析，以进一步完善我们对沙鳗属物种的认识。