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前言

科研速报系列将归入鲨鱼杂谈文集中，该系列将为读者播报世界范围内最新发布的有关软骨鱼类的最新研究成果，主题范围广泛，并且将以一种大众能够接受的文体来进行科普。

(资料图片仅供参考)

遗传学：全球牛鲨（Carcharhinus leucas）种群结构及地理分布特点

Genetics: Global population structure and biogeography of bull shark

摘要：牛鲨是一种分布广泛且可进入淡水的掠食性真鲨，但由于过度捕捞其全球种群已经易危（VU），且某些地区的种群数量正在持续下降。为了协助保育，充分的遗传学研究必不可少。由美国，法国，澳大利亚和日本等多个国家的研究员组成的研究团队对全球19个水域采样的918尾牛鲨进行DNA采样，他们利用了一种新的DNA捕捉途径（DArTrap）对每个标本采集了位于细胞核基因组的3400个分子标记。此外，384个来自印度-太平洋水域的牛鲨线粒体基因组也用于分子分析。最终结果发现，各大分布于不同主要大洋以及特殊岛屿周边种群的牛鲨存在生殖隔离。并且，基因交流广泛存在于浅海区域，而各个大洋以及大陆桥则作为地理隔离因素阻断各个种群。由于牛鲨存在定期返回繁殖地产崽的习惯，浅海过度捕捞将对它们构成严重威胁，尤其是一些相对更为闭塞的种群，例如日本和斐济群岛种群。此外，该研究还揭示了分子标记测试对于软骨鱼类保护的重要性，例如通过法医鉴定式的分析追踪其来源种群进行管理。

关键词：种群遗传学，保育，种群结构，生态学。

牛鲨：猎手的困境 Bull shark: The delimma of the predator

相信各位自然科学爱好者还是青少年的时候都看过河中巨怪系列。系列的每一集中都会伴随杰叔的钓钩介绍一种种来自河流，湖泊，海洋中的河怪。它们中大多数种类来自于硬骨鱼类，也有少部分来自于软骨鱼类。牛鲨则是其中之一，仅是在河中巨怪系列中就有四集出现过它的身影（悉尼，北澳大利亚的菲茨罗伊河，河口湾，以及南非的湖泊中。印象中杰叔在南非钓到了一条3.1米的个体）。如果从全球范围来看，牛鲨的分布范围遍布了印度洋-太平洋-大西洋沿岸的温暖浅海，以及一些主要河流、湖泊，例如密西西比河，亚马逊河。甚至还有一个种群的大多数生活史位于淡水中（尼加拉瓜湖种群，但这个种群依托圣胡安河与海洋接触，并非陆封种群。圈内大佬居氏鼬鲨叁的视频有详细介绍：

）

但由于广泛分布于世界各大洋温暖的浅海之中且各个种群分布较为分散，牛鲨极易受到严重的过度捕捞影响。根据IUCN红色物种保护名录发布于2021年的评估，全球的牛鲨种群在过去的55到80年间下降了约30-49%，被评为易危物种（之前的评估还是近危）。牛鲨与其他多种身处灭绝险境的软骨鱼一道，成了刻不容缓的保护对象（现在的种群评估里约有37%的软骨鱼类面临着人类导致的灭绝危险）。

种群遗传学 Population genetics

不幸中的万幸是，随着现代生物学对物种的种群保育了解不断加深，以及分子技术的进展，保育生物学近年来发展迅速，其中一个概念就是我们今天要讲的：分子保育。分子保育生物学对于判断一个物种的不同种群十分有效，只需要来自其细胞核基因组或细胞器基因组中的多个分子标记（系统发育标记，即广泛存在于不同物种中但存在序列差异的基因或DNA区域），构建的系统发生树便可以揭示不同种群个体之间的演化关系以及差异，从中便可以知晓其种群形成于结构，进而判断具体的需要保护的种群，了解一些具体的数据例如其近交系数，种群内遗传多样性和种群间的遗传差异，来了解它们是否形成生殖隔离并精准的管理。此外，结合种群分布的地理位置与条件，可以得到不同种群之间的地理隔离因素。并且，结合其种群分子数据，可以知晓各种群之间潜在的基因交流以及其渠道。随着基因测序技术和遗传学、基因组学的发展，以及对软骨鱼类资源的调节与研究需求的逐步增长，这些技术的应用逐渐变得广泛，并且不断的应用在不同的鲨鱼/鳐鱼/全头类物种的种群遗传学研究上。先前的一些研究已经对部分地区的牛鲨种群进行了分子标记采样，并得到了这些种群的结构以及数据，例如墨西哥西海岸的东太平洋种群以及澳大利亚北部种群。不过全球范围的采样与分析尚未进行（如果有，我可能不会单独写一篇专栏来介绍）。

2023年2月刊登在《环境与演化》期刊上，由多国科学家共同发表的论文，提供了目前世界上第一次全球范围内的牛鲨种群结构以及生物地理学分布的总结。这篇研究突出的亮点在于其样本采集之完整：共有918个来自全球的“牛鲨样本”被用于研究。此外分子样本采集也比以往的研究更为全面：其实在2019年研究全球性的牛鲨种群遗传学特性的研究也曾开展过，但使用的分子标记仅限于3个线粒体基因以及25个微卫星位点（microsatellite）。而这次研究则采用了一种新的分子标记获取方法（DArTcap，这个方法之前被用于探究北澳大利亚的露齿鲨种群的遗传结构），并获取了这些牛鲨的3400个核基因分子标记（单核苷酸多态位点，即SNP）的基因型（genotype）！另外，384个来自印度洋和太平洋沿岸的完整牛鲨线粒体基因组也被用于分子分析，不过由于之前的数据分析差异，11个线粒体基因组并非来自牛鲨（反正五花八门）：安汶真鲨（还能好说点，这俩姊妹群），黑尾真鲨（呃...），短鳍真鲨等。经过了数据过滤处理后，769个牛鲨样本和361个线粒体基因组被用于DArTrap数据以及线粒体组分析。

如此空前的数据量提供了丰硕的研究成果。由DArTrap获得的分子标记数据的PCA分析（Principle component analysis, 这种分析将每个个体基因标记的基因型作为输入，通过线性代数转换分子数据的方式来判断每个样本间的遗传相似度）划定了4个种群簇并判断出了其内部的层级（population cluster, 根据分子数据的相似度划定；Fig.2），分别是东太平洋种群簇，西大西洋种群簇，东大西洋种群簇，以及印太-日本-斐济种群簇。其中，印太种群与日本，斐济的种群差异较大，表明日本和斐济的种群可能是单独分散的种群。东太平洋和西大西洋的种群存在较大程度的种群差异，有可能是因为中美洲巴拿马地峡的闭合分割了两个种群，造成地理隔离。对比种群分组的样本种群结构差异并结合地理分布特点，结果发现，各大洋较长距离的地理隔离是分隔牛鲨种群的主要因素。另外，一些岛屿周边分布的种群，例如斐济，新喀里多尼亚和日本的鲨鱼，也被面积较大且两地距离较长的深水区域（如海沟）分割开来，也许因为牛鲨大多分布在水深不超过160米的浅海，它们不会进行越洋活动。其他被认为导致了牛鲨种群与其他种群隔离的因素包括：大陆桥（以及此后形成的海峡），温度分割层（thermal barriers）。

线粒体基因组数据集的单倍型（haplotype）变异分析结果也在印度洋-太平洋的牛鲨样本中分离出四个种群簇：东太平洋，东大西洋，西印度洋以及东印度洋-西太平洋簇，其中东、西印度洋的种群差异很大，而采集于北印度洋的样本（如斯里兰卡、阿拉伯半岛和泰国）则与东西两个种群存在居中的分子差异。有些特殊的是，两个原本来自西太-东印度洋的样本（Fig. 3 黑色箭头所指，一个来自澳大利亚，一个来自斐济）被归类到了西印度洋组中，而另一个来自南非的样本竟被归类到了西太平洋-东印度洋分组中。这种情况被称为“母系移动”（matrilineal movement，线粒体只能由母本在交配中提供），也就是说这几个样本的母系个体在较近的演化时间线上迁移到了另一个区域并于其杂交。相比之下，线粒体基因组提供了比核基因分子标记更为精准的种群结构（Fig.3）。

有趣的是，除了有关种群历史和遗传结构的信息，这些数据还挖掘出了一些个体之间的遗传关系。一共有18对“全双胞胎（full sibling, 即全同胞胎，携带相同父母的遗传物质）”和40个半全胞胎（同父异母或同母异父），其中大多是幼年个体。其中位于印度-太平洋的32个半全胞样本都出自同一采样地，意味着牛鲨具有定期回到产卵地产卵的行为（philopatry）。北澳大利亚地区的七个半全胞个体大多是同父异母的，有可能是成年雄性牛鲨的分布偏差（即在某一水域内雄性数量大于雌性）导致的。

保育启示Conservational implications

当代渔业中有些国家的软骨鱼类捕捞规模较大，对于当地水域的软骨鱼种类造成了巨大的压力。而这项研究则为全球的牛鲨种群提供了全面且精准的种群结构数据，并且显示出了其检测鲨鱼种类、性别、种群来源、个体遗传关系等能力，为软骨鱼资源管理提供了精密的工具。相信在未来，结合更多研究成果与转化以及管理法规的出台，对受威胁物种所属的种群管理会更加有效，我们也能真正做到通过技术来促进重要物种保育的目标。

附加短篇：鲸鲨特殊的适应性视蛋白变异

Bonus: The special adaptive mutation of rhodopsin of whale shark 

鲸鲨(Rhincodon typus)是一种适应了远洋生活的须鲨目成员，并且能够下潜至1928m的深海。相对应的，对深海环境的适应性演化必不可少。其中，视觉的演化十分重要，因此鲸鲨的视觉蛋白：视紫质（rhodopsin，一种用于视觉适应暗光环境的视觉蛋白）,相对于表层生存的生物对蓝光更为敏感。这是一种位于视神经细胞表层的G蛋白偶联受体（GPCR），序列由354个氨基酸链接，可以通过吸收光线来激活神经传导，使视觉产生。视紫质一般位于视网膜的视柱细胞（rod）上，这种细胞可帮助在较暗的环境中感光。

来自日本神户、冲绳、大阪等地的科学家对鲸鲨的视紫质蛋白进行了光谱与结构研究。他们发现: 相比于其他生活在浅层水体的鲨鱼，鲸鲨的视紫质能够最大程度吸收的光波长为478nm，而同属于须鲨目的豹纹鲨和点纹斑竹鲨的最大程度吸收波长则为500nm（印证了鲸鲨视紫质对蓝光的敏感性）。随后他们将几种浅海生活的软骨鱼的视紫质氨基酸序列与鲸鲨的进行排列对比，并构建演化关系 (Fig.4)。结果发现：相对其他物种鲸鲨视紫质的第94和第178个氨基酸位点出现了突变：第94个位点由含极性的苏氨酸突变为疏水的丙氨酸（T94A），第178个位点由酪氨酸变为苯丙氨酸（Y178F）。饱和位点突变实验（即将每一个氨基酸位点都突变来观察其对蛋白质结构和功能的影响）证实了这两个突变便是导致鲸鲨视紫质对蓝光具有更强敏感性的原因，尤其是T94A突变。令人震惊的是，这一位点的突变还导致了一种人类的疾病：先天性静态夜盲症（CSNB），原因是94位点上的苏氨酸被替换为异亮氨酸（T94I），相关的化学机理显示：这个突变影响了视紫质对温度的抗性，使其结构更易在高温下被破坏，而对鲸鲨的突变蛋白的热抗性研究也与这个结论相对应。一般来说，较强的热抗性有助于视紫质提高视觉信号的传导效率，但在深海，较低的温度能使鲸鲨的视紫质保持功能完备，使其能在较暗的水体中保持视觉感官。

该研究于2023年2月6日发表在美国国家科学院院刊上。

专栏头图和封面照片来自于鲨鱼摄影师：Andy Murch.

参考文献

Devloo‐Delva, F., Burridge, C.P., Kyne, P.M., Brunnschweiler, J.M., Chapman, D.D., Charvet, P., Chen, X., Cliff, G., Daly, R., Drymon, J.M. and Espinoza, M., 2023. From rivers to ocean basins: The role of ocean barriers and philopatry in the genetic structuring of a cosmopolitan coastal predator. Ecology and Evolution, 13(2), p.e9837.

Feutry, P., Devloo‐Delva, F., Tran Lu Y, A., Mona, S., Gunasekera, R.M., Johnson, G., Pillans, R.D., Jaccoud, D., Kilian, A., Morgan, D.L. and Saunders, T., 2020. One panel to rule them all: DArTcap genotyping for population structure, historical demography, and kinship analyses, and its application to a threatened shark. Molecular Ecology Resources, 20(6), pp.1470-1485.

Uniprot website fallback message (no date) UniProt. Available at: https://www.uniprot.org/uniprotkb/A0A7T8R2L6/entry (Accessed: April 22, 2023).

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