平衡选择维持深海圆吻鳕生态型多样性的分子机制研究

《Heredity》：Balancing selection maintains intraspecific diversity in a deep-sea fish

　　本研究聚焦深海圆吻鳕（Coryphaenoides rupestris）跨深度梯度（200-2000米）的生态型分化机制。研究人员通过候选SNP分型发现8个功能基因位点（如ROCK1、EGFR1等）存在与深度相关的非同义变异，结合年龄分层分析揭示等位基因频率随年龄呈动态变化。结果表明平衡选择通过频率依赖性机制维持不同深度生态型所需的遗传多样性，基因组分析（BetaScan2、Tajima's D、MLHKA）进一步证实了长期平衡选择信号。该研究为理解异质环境中生物多样性维持提供了分子进化新视角。

　　

在深邃的海洋中，从200米到2000米的深度梯度如同垂直的沙漠绿洲，被光线穿透程度、静水压力、环流模式等环境因素分割成不同的栖息地带。一些鱼类能够跨越如此广阔的深度范围生存，比如圆吻鳕（Coryphaenoides rupestris），这种被世界自然保护联盟列为极危物种的深海鱼，其幼体主要生活在中层水域，成年后则按深度进行分离。然而令人困惑的是，尽管不同深度的个体表现出显著的表型差异（特别是鳃口大小、最大体宽、鳔重和体长等形态特征），先前的中性遗传标记研究却未发现群体分化迹象。这一矛盾现象引出了核心科学问题：在缺乏地理隔离的前提下，何种进化力量能够维持这种生态型多样性？

为解开这一谜题，由杜伦大学A. Rus Hoelzel带领的国际研究团队开展了深入探索。他们注意到，深海环境参数随深度发生剧烈变化，特别是1000-2000米区间的水压变化会使许多生物产生适应性分化。早期对60个圆吻鳕基因组的研究曾发现，在1800米以深捕获的个体在膜结构、形态发生和肌肉功能相关基因位点上存在固定遗传差异。基于这一线索，研究人员将样本量从平均15增至36个，深度采样点从4个扩展至8个（750-1900米），并对290条新样本进行年龄鉴定和基因分型，首次将年龄变量纳入分析框架。

关键技术方法包括：通过耳石切片三种方法（轮纹计数、前臀鳍长度测量、耳石重量）进行年龄鉴定；采用GT-seq（基因分型测序）技术对8个深度相关位点的10个SNP和3个对照位点的10个SNP进行基因分型；利用BetaScan2、Tajima's D和MLHKA三种方法分析长期平衡选择信号；通过卡方检验、Fisher精确检验和线性回归分析等位基因频率与深度、年龄的关联性。

深度相关等位基因频率分布

如图1所示，比较750-1600米与1700-1900米两个深度区的基因型频率，所有深度相关位点均显示极显著差异（p<0.00001），而对照位点无显著差异。在1700米以深水域，"深水等位基因"虽为优势等位基因，但不再固定存在，表明多态性在整个深度范围内持续存在。

等位基因频率的年龄关联模式

当将深度范围限制在750-1500米时，次要等位基因频率（MAF）在五个年龄等级中呈现规律性变化：部分位点的MAF随年龄增长而下降（R²=0.79, p<0.0001），部分位点则上升（R²=0.63, p<0.0001），而对照SNP无显著趋势（图2）。在单一深度1250米处的分析显示，除CAC1E外所有深度相关位点的年轻个体（≤14岁）与年长个体（>14岁）之间等位基因频率存在显著差异（p<0.05），年长个体中"深水等位基因"频率普遍降低。

深度等位基因的年龄趋势

进一步分析显示，"深水等位基因"频率在750-1500米（F=64.5, p<0.0001）和1600米（F=23.27, p<0.0001）深度区间均随年龄增长而下降，而在1700-1900米最深水域则保持高位稳定（F=3.2, p=0.08）（图3）。 Hardy-Weinberg平衡检验显示在深度阈值两侧无显著偏离，但合并所有样本后四个位点出现杂合子缺失，提示Wahlund效应。

长期平衡选择的基因组证据

基因组分析为平衡选择提供了有力支持：所有深度相关位点的BetaScan2得分（阈值>7.74）和Tajima's D值（阈值>2.4）均显著高于对照位点（图4）。MLHKA检验显示8个位点 under selection模型的似然值（-88.9939）显著优于中性模型（-107,525）（χ²=37.06, p<0.001）。

研究结论与讨论表明，圆吻鳕中观察到的动态等位基因频率变化最符合频率依赖性平衡选择机制。深度相关位点（如调控微体形成的ROCK1、参与发育的EGFR1、电压门控钙通道CAC1E和肌肉收缩相关OBSL1等）多与膜功能、发育和形态发生相关，这些功能对不同深度栖息地的适应性需求至关重要。研究排除了昼夜垂直迁移或采样偏差的干扰，指出个体可能根据基因型选择适宜深度栖息，但在繁殖期会聚集交配，从而维持种群遗传连续性。这种机制使得物种能够在栖息地特征（光照、压力、猎物资源等）差异巨大的深度范围内保持适应性潜力。该研究为理解异质环境中生物多样性维持提供了分子进化新视角，对深海生物保护具有重要启示意义。论文发表于《Heredity》期刊，为平衡选择理论在深海生态系统的实证研究树立了新的里程碑。