基于行为和转录组数据探讨洞穴小弱蛛Leptonetela的感光功能及其洞穴适应性演化

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恒黑、高湿度、恒温以及有限的能量输入使得洞穴成为了世界上最为极端的环境之一,同时也使洞穴生物也成为了遗传学、生物地理学和生态学研究的热点。特别是关于洞穴生物眼睛的退化,是自达尔文《物种起源》一书发表以来,生物学家最为关心的问题之一。近年来,趋光或避光行为在越来越多的无眼洞穴生物中被报道,但关于生活在恒黑环境中的洞穴生物为何要保留感光功能?至今仍然没有统一的解释。目前主要有两种假说:1、中性选择假说—洞穴生物由于长期生活在黑暗的洞穴环境中,感光功能正处于中性选择下的累计退化过程中,视觉相关基因的随机突变正在积累,相关的感光结构只是系统发育的残留;2、纯化选择假说—尽管洞穴生物生活在完全的黑暗之下,感光功能依然因其重要的生物学作用而受到强烈的自然选择,其中最为典型的就是许多无眼洞穴甲虫通过避光行为来进行生境选择。蜘蛛作为洞穴陆生节肢动物的典型代表,洞穴生态系统中重要的捕食者,在维持洞穴生态系统的稳定性上起着重要的作用。洞穴蜘蛛物种多样性高,截止到目前已报到了48科1000余种洞穴蜘蛛。然而关于洞穴蜘蛛眼睛退化机制的研究却鲜有报道。本研究以四种贵州洞穴小弱蛛Leptonetela(Araneae:Leptonetida),包括两种六眼正常的偶穴居小弱蛛L.reticulopecta和L.mengzongensis,两种眼睛高度退化或消失的真洞穴小弱蛛L.sp和L.tetracantha为研究对象。利用行为学与转录组学方法探讨了洞穴小弱蛛的感光功能及其洞穴适应性演化机制。首先,我们在洞穴进行了避光选择实验和存活实验,避光选择实验证明四种洞穴小弱蛛均有明显的避光行为(P<0.05),尤其是两种眼睛退化的真洞穴小弱蛛L.sp和L.tetracantha被证明仍然保留了感光功能。存活实验证明长期生活在洞内的真洞穴小弱蛛被转移到洞口生境之后,死亡率显著增加(P<0.05),但在持续供水的条件下,死亡率与洞内生境没有显著差异(P>0.05)。然后,我们对四种洞穴小弱蛛的光传导通路关键基因进了注释和选择压分析,注释结果证明真洞穴小弱蛛尽管眼睛出现了退化,但核心基因并没有出现丢失。选择压分析结果证明真洞穴小弱蛛和偶穴居小弱蛛一样,光传导通路关键基因正经历纯化选择过程并受到强烈的自然选择压力。本研究不仅首次证实真洞穴无眼蜘蛛仍然保留着感光功能,还证明了陆生真洞穴节肢动物保留感光能力很有可能是为了逃避洞外干燥的生境。我们从宏观行为学与微观转录组学两个角度支持了之前所提到的纯化选择假设而拒绝了中性选择假设,证明长期生活在恒黑生境下的真洞穴无眼动物的感光功能的保留是受到了强烈的纯化选择的结果。此外,我们也为研究陆生洞穴节肢生物眼睛退化机制的提供了一个新的思路。
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