海洋生物分类与系统演化实验室知识库

作为数量第二丰富的海洋小型底栖动物类群，底栖桡足类在海洋生态系统的物质传递和能量转移中发挥着重要的作用。然而，由于其个体较小、研究难度大、研究人员少等原因，我国海洋底栖桡足类的分类学研究还十分不充分，多样性状况尚不明确，仍有大量未知物种未被发现。对于海洋底栖桡足类多样性状况的正确认知是合理保护和开发海洋底栖桡足类生物资源的重要前提。为此，本研究以2021年秋季胶州湾及周边海域采集的底栖桡足类为实验材料，摸索出一套适用于海洋底栖桡足类的形态学和分子生物学相结合的综合分析方法，并利用该方法探究了胶州湾及周边海域底栖桡足类多样性状况。研究获得了以下成果：

1. 本研究摸索了一套能够同时获得单个个体底栖桡足类形态学数据和分子生物学数据的多样性分析方法。该方法采用形态结构无损伤的DNA提取方法，在保持几丁质外壳完整的情况下获得底栖桡足类的基因组DNA，之后利用高通量测序技术获得样品的高拷贝基因序列信息。这一方法克服了以往研究中难以同时获得单个底栖桡足类样品形态和分子数据的困境，可以提高海洋底栖桡足类多样性分析的准确性和便捷性，并促进底栖桡足类分类学研究的发展。
2. 通过该方法，我们获得了33种底栖桡足类的基因组DNA，在世界范围内首次获得了直体猛水蚤科Orthopsyllidae Huys, 1990和拟相猛水蚤科Parastenheliidae Lang, 1936的DNA序列信息，以及多节目Polyarthra Lang, 1944 两科和猛水蚤目Harpacticoida Sars G.O., 1903中11科完整的线粒体基因组序列，为以后的系统发育分析、群体遗传学、环境DNA等研究积累了丰富的基础数据。所获得的33种底栖桡足类隶属于3目23科27属，其中有12科19属22种(包括2疑似新属9疑似新种6中国海新记录种)是截至目前胶州湾底栖桡足类形态分类学和生态学研究中从未报道的。我们更新了胶州湾底栖桡足类物种名录，揭示胶州湾底栖桡足类生物多样性水平远高于之前的认知。
3. 本研究构建了基于线粒体COI、18S rRNA、28S rRNA基因序列的系统发育树，证实了剑水蚤目Cyclopoida和多节目以及猛水蚤目中美猛水蚤科Ameiridae Boeck, 1865、长猛水蚤科Ectinosomatidae Sars G.O., 1903、猛水蚤科Harpacticidae Dana, 1846、老丰猛水蚤科Laophontidae Scott T., 1904及粗毛猛水蚤科Miraciidae Dana, 1846的单系性。此外，本研究首次基于线粒体基因组数据重建了的足甲总目Podoplea Giesbrecht, 1882的系统发育关系。

第1章 绪论 1

1.1 底栖桡足类简介 1

1.1.1 猛水蚤目 Harpacticoida 2

1.1.2 多节目 Polyarthra 3

1.1.3 剑水蚤目 Cyclopoida 3

1.2 底栖桡足类多样性研究进展 4

1.2.1 国际底栖桡足类多样性研究进展 4

1.2.2 我国底栖桡足类研究历史和现状 7

1.2.3 底栖桡足类分类学方法的现状 7

1.2.4 底栖桡足类分子实验的三种方案 8

1.3 胶州湾底栖桡足类研究现状 8

1.4 研究目的及意义 9

第2章 底栖桡足类多样性综合分析方法学研究 11

2.1 底栖桡足类的形态结构无损伤的DNA提取(Non-destructive DNA extraction) 11

2.2 DNA测序 13

2.2.1 PCR扩增测序 13

2.2.2 基因组浅层测序 14

2.3 实验材料与方法 14

2.3.1 实验材料 14

2.3.2 标本的采集和处理 15

2.3.3 形态结构无损伤的DNA提取 15

2.3.4 DNA测序与序列组装 16

2.3.5 碱基信息统计 16

2.3.6 ABGD分析(Automatic Barcode Gap Discovery) 16

2.3.7 系统发育树构建 16

2.3.8 形态学鉴定 17

2.4 小结 17

第3章 胶州湾底栖桡足类分子多样性研究与分析 19

3.1 线粒体COI基因 19

3.1.1 胶州湾底栖桡足类线粒体COI基因序列特征及碱基替换分析 19

3.1.2 胶州湾底栖桡足类线粒体COI基因序列碱基替换饱和分析 20

3.1.3 胶州湾底栖桡足类线粒体COI基因遗传距离分析 20

3.1.4 ABGD评估 21

3.1.5 胶州湾底栖桡足类线粒体COI基因系统发育树分析 22

3.1.6 讨论 35

3.2 核基因18S rRNA基因 38

3.2.1 胶州湾底栖桡足类18S rRNA基因序列特征及碱基替换分析 38

3.2.2 胶州湾底栖桡足类18S rRNA基因序列遗传距离分析 39

3.2.3 胶州湾底栖桡足类18S rRNA基因序列系统发育树分析 40

3.3 核基因28S rRNA基因 43

3.3.1 胶州湾底栖桡足类28S rRNA基因序列特征及碱基替换分析 43

3.3.2 胶州湾底栖桡足类28S rRNA基因序列遗传距离分析 44

3.3.3 胶州湾底栖桡足类28S rRNA基因序列系统发育树分析 44

3.4 线粒体基因建树与核基因建树的比较 47

3.5 多基因联合建树 48

3.5.1 胶州湾底栖桡足类COI、18S和28S基因联合建树分析 48

3.5.2 胶州湾底栖桡足类线粒体基因组建树分析 50

3.5.3 胶州湾底栖桡足类物种多样性 53

第4章 结论与展望 56

4.1 结论 56

4.2 展望 57

参考文献 59

致谢 69

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 71