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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 3: 22 - 30

DOI: https://doi.org/10.11978/2022267

海洋生物学

木珊瑚科Cladopsammia gracilis和Rhizopsammia wettsteini 线粒体全基因组比较与系统进化分析*

  • 霍嘉欣 , 1, 2, 3, 4 ,
  • 李颖心 1, 2, 3, 4 ,
  • 宋严 1, 2, 3, 4 ,
  • 朱晴 1, 2, 3, 4 ,
  • 周伟华 , 1, 2, 3 ,
  • 袁翔城 , 1, 2, 3 ,
  • 黄晖 1, 2, 3 ,
  • 刘胜 1, 2, 3
展开
  • 1.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东省应用海洋生物学重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2.三亚海洋科学综合(联合)实验室, 海南省热带海洋生物技术重点实验室, 海南 三亚 572000
  • 3.海南三亚海洋生态系统国家野外科学观测研究站, 中国科学院海南热带海洋生物实验站, 海南 三亚 572000
  • 4.中国科学院大学, 北京 100049
周伟华, email: ;
袁翔城, email:

*感谢珊瑚生物学与珊瑚礁生态学学科组全体人员对本论文的完成提供的帮助。

霍嘉欣(1997—), 女, 广东省广州市人, 硕士研究生, 从事珊瑚礁生物学与珊瑚礁生态学研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2022-12-30

  修回日期: 2023-03-14

  网络出版日期: 2023-03-21

基金资助

广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515010656)

海南省重点研发计划项目(ZDYF2020200)

国家重点研发项目(2021YFF0502800)

收起

Complete mitochondrial genome of Cladopsammia gracilis and Rhizopsammia wettsteini (Scleractinia, Dendrophylliidae) and its phylogenetic implications*

  • HUO Jiaxin , 1, 2, 3, 4 ,
  • LI Yingxin 1, 2, 3, 4 ,
  • SONG Yan 1, 2, 3, 4 ,
  • ZHU Qing 1, 2, 3, 4 ,
  • ZHOU Weihua , 1, 2, 3 ,
  • YUAN Xiangcheng , 1, 2, 3 ,
  • HUANG Hui 1, 2, 3 ,
  • LIU Sheng 1, 2, 3
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. CAS-HKUST Sanya Joint Laboratory of Marine Science Research, Key Laboratory of Tropical Marine Biotechnology of Hainan Province, Sanya 572000, China
  • 3. Sanya National Marine Ecosystem Research Station, Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
ZHOU Weihua, email: ;
YUAN Xiangcheng, email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2022-12-30

  Revised date: 2023-03-14

  Online published: 2023-03-21

Supported by

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022A1515010656)

Key Research and Development Project of Hainan Province(ZDYF2020200)

National Key Research and Development Program of China(2021YFF0502800)

Fold

摘要

木珊瑚科(Dendrophylliidae)下的枝沙珊瑚属(Cladopsammia)和Rhizopsammia属的物种分类目前仍存在模糊的界定, 本研究结合形态特征与微观结构和线粒体全基因组测序对Cladopsammia gracilis与Rhizopsammia wettsteini进行形态和分子进化水平的分析比较。结果显示: 形态学特征上, R. wettsteini通过生殖根出芽, 珊瑚肋上具有小尖状突起, 隔片薄而脆; 而C. gracilis则无生殖根, 珊瑚肋上突起为细瘤状, 隔片颗粒感强且较厚。两个物种的线粒体基因组组成十分相似, 同样包含13个蛋白编码基因、2个rRNA基因和2个tRNA基因, 与大部分六放珊瑚相同; 在基因重叠情况和密码子偏好性上则有别于大部分六放珊瑚。基于CO1基因的系统进化分析显示, C. gracilis和R. wettsteini关系较近, 却与枝沙珊瑚属(Cladopsammia)其他物种关系较远, 因此C. gracilis是否归入枝沙珊瑚属(Cladopsammia)值得探讨, 同时提示我们需要重新审视枝沙珊瑚属(Cladopsammia)的分类地位。

关键词： 木珊瑚科; 线粒体基因组; 分类学; 进化分析

本文引用格式

霍嘉欣 , 李颖心 , 宋严 , 朱晴 , 周伟华 , 袁翔城 , 黄晖 , 刘胜 . 木珊瑚科Cladopsammia gracilis和Rhizopsammia wettsteini 线粒体全基因组比较与系统进化分析*[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(3) : 22 -30 . DOI: 10.11978/2022267

Abstract

There is a taxonomic uncertainty on the species classification of Cladopsammia gracilis and Rhizopsammia wettsteini as well as the unresolved status of the closely related genera Cladopsammia and Rhizopsammia. In order to further analyze the phylogenetic relationship between C. gracilis and R. wettsteini, we examined the micromorphological and microstructural features and systematically compared the gene structure, genetic distance and codon preference of two mitochondrial genomes. The results show that there are three distinct characteristics: reptoid budding, costae and septa. The genome composition of the two species is very similar, containing 13 protein-coding genes, 2 rRNA genes and 2 tRNA genes. Unlike most scleractinians, there were no overlaps between genes. In addition, phylogenetic analysis based on CO1 genes show that C. gracilis and R. wettsteini are closely related but distantly related to other species of the genera Cladopsammia. The present study highlights the need for an integrative approach to conduct a deeper species delimitation of genera Cladopsammia and Rhizopsammia.

Key words： Dendrophylliidae; mitochondrial genomes; taxonomy; phylogenetic analysis

近年来, 木珊瑚科(Dendrophylliidae)下的枝沙珊瑚属(Cladopsammia)、Rhizopsammia属和筒星珊瑚属(Tubastraea)因在大西洋与太平洋沿岸大量繁殖而受到关注, 同时在我国三亚、厦门、香港和台湾海域也有分布记录报道(倪智 等, 2017; 张喆 等, 2022; 赵东波 等, 2022; Yiu et al, 2022)。木珊瑚科物种丰富度居石珊瑚目(Scleractinia)第三位(Cairns, 1999), 同时表现出多样的生长形式和生态特征(Veron, 2000), 且在世界范围内(南极洲除外)广泛分布, 是研究石珊瑚多样性的重要对象(Cairns, 2001)。然而, 木珊瑚科内除了陀螺珊瑚属(Turbinaria)与杜沙珊瑚属(Duncanopsammia)与虫黄藻共生之外, 其他属珊瑚均为非虫黄藻共生型珊瑚(Cairns, 2007), 因没有造礁功能, 在过去的珊瑚生物学研究中往关注较少, 全面、详细的分类学资料更是缺乏。
Cladopsammia gracilis与Rhizopsammia wettsteini同属于六放珊瑚亚纲(Hexacorallia)石珊瑚目(Scleractinia)木珊瑚科(Dendrophylliidae)。这两种珊瑚与木珊瑚科的华丽筒星珊瑚(Tubastraea aurea)和猩红筒星珊瑚(Tubastraea coccinea)不仅在总体形态上相似, 都具有橘红色或黄色螅肉和触手, 而且在分布海域水深上也有重合(Miranda et al, 2018), 往往造成该三属物种区分困难(Choi et al, 2016)。
2017年, Baron-szabo和Cairns发表了木珊瑚科下各属形态特征的相关研究, 从群落形态、出芽方式、杯壁特征、隔片特征、轴柱特征和有无共生藻等多个方面来区分各属(Baron-Szabo et al, 2019)。但由于石珊瑚的骨骼及细微结构会因环境不同导致自身发育受到影响, 这种表型可塑性(phenotypic plasticity)使得经典的珊瑚分类学方法具有一定局限性(Forsman et al, 2009)。同时有学者指出, 仅用形态学特征不足以推断木珊瑚科的进化变化和物种形成(Cairns, 2000)。近年来, 分子系统学飞速发展, 线粒体基因组以进化速率快、结果简单、基因排列紧凑且易于扩增测序等特点, 被认为是物种鉴别和系统发育研究的理想材料(Paz-García et al, 2016), 在石珊瑚目和其他相关组群的系统进化研究中也有大量应用(Lin et al, 2014)。然而, 目前国内对枝沙珊瑚属(Cladopsammia)和Rhizopsammia属形态和分子进化水平的分类调查研究仍然较少(戴昌凤 等, 2009, 2020)。本文对C. gracilis与R. wettsteini 进行了形态学比较和线粒体基因组比对分析, 同时基于分子标记分析了物种间的系统发育关系, 可为枝沙珊瑚属(Cladopsammia)和Rhizopsammia属的物种鉴定提供参考资料, 填补国内木珊瑚科相关分类调查的空白。

1 材料与方法

1.1 样品采集与基因组DNA提取

本研究中木珊瑚科C. gracilis和R. wettsteini的珊瑚样品采自海南省三亚市鹿回头海域(18°12′N, 109°28′E)7~8m水深处。从珊瑚团块上分离出单个珊瑚杯, 根据珊瑚组织与骨骼结构细节, 参照前人对木珊瑚科珊瑚的分类研究对样本进行初步鉴定(Cairns et al, 2012; Arrigoni et al, 2014; 戴昌凤等, 2020), 分类学术语参照《中国动物志 腔肠动物门 珊瑚虫纲 石珊瑚目 造礁石珊瑚》(邹仁林, 2001), 分类体系参照国际上广泛使用的世界海洋物种名录WoRMS(World Register of Marine Species, http://www.marinespecies.org)。
取约20mg珊瑚组织液氮速冻研磨后, 在室温下采用DNeasy® Plant Mini Kit试剂盒(Qiagen, Hilden, Germany)对珊瑚基因组DNA进行提取。提取完毕后, 取约3μL的DNA溶液, 利用Epoch2超微量孔板分光光度计(BioTek, Vermont, USA)检验所获DNA浓度与纯度。质检合格DNA样品放于-20℃冰箱保存。

1.2 DNA测序与线粒体基因组序列组装

取质检合格样品送至广州基迪奥生物科技有限公司, 采用Illumina Hiseq测序平台对样品DNA进行paired-end测序, 使用fastQC进行测序质量观测, 然后使用NGSQC对测序数据进行质控。使用SPAdes v3.11.0对质控过的clean data初步拼接, 经过同源比对和蛋白序列比对后, 利用PRICE(Paired-Read Iterative Contig Extension)和MITObim进行迭代延伸、gap补洞及重拼接, 直至获得完整的线粒体基因组序列。C. gracilis和R. wettsteini线粒体基因组序列提交到Genbase数据库, 登录号分别为C_AA002006.1和C_AA002005.1。

1.3 基因组基因注释与分析

获得全长序列后, 采用在线注释软件MITOS(http://mitos.bioinf.uni-leipzig.de/index.py)对线粒体序列进行识别与注释, 并使用Proksee(https://proksee.ca)绘制线粒体基因组环状结构图, 使用软件CodonW分析C. gracilis和R. wettsteini线粒体蛋白质编码基因序列的密码子偏好性与密码子使用特性, 分析每个蛋白编码基因的有效密码子数(effective number of codon, ENc)、相对同义密码子使用度(relative synonymous codon usage, RSCU)、密码子适应指数(codon adaptation index, CAI)和密码子偏爱性指数(codon bias index, CBI)等。

1.4 木珊瑚科系统发育分析

从GenBank下载木珊瑚科(Dendrophylliidae)下8属15种珊瑚和作为外群的柔枝鹿角珊瑚Acropora tenuis 的CO1基因序列用于系统进化树的构建(表1)。使用Gnenoius Prime软件中的邻接法(neighor-joinnig, NJ)构建系统进化树, 系统进化树的节点置信度通过自展法(bootstrap=1000)来进行评估。
表1 外源信息表

Tab. 1 List of outer groups

物种 CO1基因序列
柔枝鹿角珊瑚Acropora tenuis LC029008
Balanophyllia europaea# HG965310
江口枝沙珊瑚Cladopsammia eguchii HG965319; HG965317.1
纤细枝沙珊瑚Cladopsammia gracilis HG965320.1
Cladopsammia sp.# HG96531.6
Cladopsammia mamuelensis# MW250924.1; MW250928.1
Dendrophyllia cornigera# HG965322.1
Eguchipsammia serpentina# HG965327
耳蜗异沙珊瑚Heteropsammia cochlea HG965331
Rhizopsammia verrilli# HG965336.1; HG965334; HG965335.1
Rhizopsammia wettsteini# HG965338; HG965337; HG965339.1
华丽筒星珊瑚Tubastraea cf. aurea HG965342.1
猩红筒星珊瑚Tubastraea coccinea HG965344
小花筒星珊瑚 Tubastraea micranthus HG965347
皱折陀螺珊瑚Turbinaria mesenterina HG965360
Turbinaria patula# HG965361

注: #表示该物种尚未有正式中文名

2 结果

2.1 形态学鉴定结果

采集到的珊瑚样品分别标为sp1(图1)与sp2(图2)。sp1特征如下: 生态特征为群体直接固着在附着基上, 无柄, 具有较为明显的生殖根(reptoid budding, RB); 生活时螅肉与共骨呈现橘红色或橘黄色, 触手为黄色, 无大规模共生虫黄藻; 出芽方式为从一个老珊瑚杯基部外出芽生殖, 杯间距离小。珊瑚杯具有各自独立的杯壁, 群体处于笙形到融合形的过渡形态; 珊瑚杯中等大小, 杯窝较深, 直径约5~6mm, 隔片发育良好, 两侧有颗粒, 边缘细齿状, 质地薄而脆, 共5轮隔片, 大小不一致; 第Ⅰ轮隔片大且稍突出杯沿, 且从边缘向下加宽, 每轮隔片均与轴柱直接或间接相连, 第Ⅲ轮隔片与第Ⅳ轮隔片末端融合, 呈现Pourtalès方式排列(即部分隔片末端接近珊瑚杯中心处融合); 轴柱不突出, 轴柱较小呈扁椭圆形, 海绵状, 由扭曲小板组成。外鞘珊瑚肋上排列尖刺突起, 肋间体壁呈现多孔结构。
图1 Rhizopsammia wettsteini形态学特征

a. 珊瑚群体形态与生殖根(reptoid budding, RB); b. 骨骼形态; c. 隔片排列情况; d. 轴柱; e. 珊瑚肋(costae, C)和肋间细沟(intercostal striae, IS)

Fig. 1 The morphological characteristics of Rhizopsammia wettsteini.

(a) Corallum and reptoid budding; (b) colony view; (c) septal arrangement; (d) dollumella, spongy; (e) costae (C) and intercostal striae (IS) porous

图2 Cladopsammia gracilis形态学特征

a. 珊瑚群体形态; b. 骨骼形态; c. 隔片排列情况; d. 轴柱; e. 珊瑚肋(costae, C)和肋间细沟(intercostal striae, IS)

Fig. 2 The morphological characteristics of Cladopsammia gracilis.

(a) Corallum; (b) colony view; (c) septal arrangement; (d) collumella, spongy; (e) costae (C) and intercostal striae (IS) porous

sp2特征如下: 生态特征为群体直接固着在附着基上, 无柄; 生活时螅肉与共骨呈现橘红色或橘黄色, 触手为黄色, 无大规模共生虫黄藻; 群体呈笙生长形; 出芽方式为从一个老珊瑚杯基部外出芽生殖; 珊瑚杯大而深, 直径6~10mm, 隔片多且质地呈现颗粒状, 一般具有5轮隔片, 隔片大小不一; 第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ轮隔片大而厚, 每轮隔片均与轴柱直接或间接相连, 第Ⅲ和Ⅳ轮隔片按Pourtalès方式排列; 轴柱发育良好, 轴柱大且呈椭圆形, 由扭曲的小板或者小结节状的小梁组成疏松多孔的海绵状轴柱; 具有珊瑚肋, 肋上排列细瘤突起, 肋间体壁呈现多孔结构。
根据形态特征, 初步判断sp1为R. wettsteini; sp2为C. gracilis。

2.2 线粒体基因组基本特征

C. gracilis和R. wettsteini线粒体基因全长均为19069bp, 整体呈双链环状结构, 编码17个基因, 包括13个蛋白编码基因、2个tRNAs和2个rRNAs(图3), 与大部分六放珊瑚线粒体基因组组成相似。两个物种线粒体基因组高度相似, 主编码基因(包括13个蛋白基因编码基因和2个rRNA基因)排列如下: Cytb-ND2-ND6-ATP6-ND4-12s rRNA-COX3-COX2-ND4L-ND3-ND5-ATP8-COX1-16s rRNA-ND1, 基因之间没有重叠情况, 但ND5基因被另一个包含11个基因的一组内含子打断。
图3 Rhizopsammia wettsteini和Cladopsammia gracilis线粒体基因组结构图

Fig. 3 Mitogenome map of Rhizopsammia wettsteini and Cladopsammia gracilis

对两个物种线粒体基因组进行碱基组成分析(表2), 其中R. wettsteini线粒体碱基A、T、C、G组成分别为21.1%、39.7%、16.0%和23.2%, A+T=60.6%, C+G=39.4%, 呈现AT偏倚; 蛋白编码基因碱基A、T、C、G组成分别为24.5%、37.7%、14.3%和23.6%, A+T=62.1%, C+G=37.9%, 也呈现AT偏倚。C. gracilis线粒体全基因组碱基A、T、C、G组成分别为25.4%、37.4%、13.6%和23.7%, A+T=63.8%, C+G=37.2%, 线粒体基因组呈AT偏倚; 蛋白编码基因碱基A、T、C、G组成分别为21.3%、38.8%、15.9%和24.0%, A+T=60.0%, C+G=40.0%, 也呈现AT偏倚。R. wettsteini线粒体基因组AT偏倚程度略比C. gracilis高, 但蛋白编码基因比C. gracilis低。
表2 Rhizopsammia wettsteini和Cladopsammia gracilis线粒体基因组碱基组成

Tab. 2 Composition of the Rhizopsammia wettsteini and Cladopsammia gracilis mitochondrial genome

基因序列 Rhizopsammia wettsteini Cladopsammia gracilis
T/% C/% A /% G /% C+G /% T/% C/% A /% G /% C+G /%
全基因组 39.7 16.0 21.1 23.2 39.4 37.4 13.6 25.4 23.7 37.2
蛋白编码基因 37.7 14.3 24.5 23.6 37.9 38.8 15.9 21.3 24.0 40.0
两个物种的线粒体编码基因均使用62个不同的同义密码子(表3), 使用次数最高的3个密码子同是UUU(Phe)、UUA(Leu)、AUU(Ile), 因此蛋白编码基因中最常用的氨基酸依次是Phe、Leu和Ile。而在最不常用密码子上有所不同, R. wettsteini的密码子CAC(His)和CGC(Arg)使用次数最少; C. gracilis使用次数最少的密码子则为CGC(Arg)和CGU(Arg)。
表3 Rhizopsammia wettsteini和Cladopsammia gracilis线粒体蛋白编码基因的相对同义密码子使用度(RSCU)

Tab. 3 RSCU of Rhizopsammia wettsteini and Cladopsammia gracilis mitochondrial genome protein-coding sequence

氨基酸 密码子 次数 RSCU 氨基酸 密码子 次数 RSCU
R.wet* C.gra R.wet C.gra R.wet C.gra R.wet C.gra
Phe UUU 454 451 1.68 1.63 Ser UCU 125 116 1.54 1.47
UUC 85 101 0.32 0.37 UCC 57 44 0.7 0.56
Leu UUA 295 335 2.12 2.29 UCA 63 61 0.77 0.78
UUG 207 216 1.49 1.48 UCG 50 55 0.61 0.7
CUU 162 165 1.16 1.13 Pro CCU 52 62 1.25 1.22
CUC 49 48 0.35 0.33 CCC 53 51 1.28 1.00
CUA 69 65 0.5 0.44 CCA 31 43 0.75 0.85
CUG 54 48 0.39 0.33 CCG 30 47 0.72 0.93
Ile AUU 262 240 1.7 1.68 Thr ACU 82 76 1.63 1.70
AUC 56 64 0.36 0.45 ACC 41 29 0.82 0.65
AUA 143 124 0.93 0.87 ACA 55 46 1.09 1.03
Met AUG 121 131 1 1.00 ACG 23 28 0.46 0.63
Val GUU 233 203 1.93 1.75 Ala GCU 110 101 1.62 1.60
GUC 58 77 0.48 0.67 GCC 60 53 0.88 0.84
GUA 83 86 0.69 0.74 GCA 42 51 0.62 0.81
GUG 110 97 0.91 0.84 GCG 60 48 0.88 0.76
Tyr UAU 197 192 1.66 1.54 Cys UGU 136 130 1.42 1.38
UAC 41 57 0.34 0.46 UGC 56 59 0.58 0.62
Asp GAU 93 88 1.45 1.30 Glu GAA 111 118 1.06 1.11
GAC 35 47 0.55 0.70 Trp UGG 160 168 1 1.00
His CAU 68 54 1.49 1.35 Arg CGU 30 23 0.58 0.42
CAC 23 26 0.51 0.65 CGC 20 14 0.38 0.26
Gln CAA 85 65 1.4 1.30 CGA 44 41 0.85 0.75
CAG 36 35 0.6 0.70 CGG 35 59 0.67 1.09
Asn AAU 165 150 1.47 1.47 AGA 119 95 2.29 1.75
AAC 59 54 0.53 0.53 AGG 64 94 1.23 1.73
Lys AAA 179 186 1.18 1.23 Ser AGU 148 149 1.82 1.89
AAG 124 116 0.82 0.77 AGC 45 47 0.55 0.60
TER UAA 119 167 1.17 1.43 Gly GGU 137 139 1.09 1.15
UAG 93 87 0.91 0.75 GGC 85 69 0.67 0.57
UGA 93 96 0.91 0.82 GGA 92 92 0.73 0.76

注: * R.wet和C.gra分别代表Rhizopsammia wettsteini和Cladopsammia gracilis

通过从两个物种线粒体蛋白编码基因密码子各参数特征值(表4)可以看出, R. wettsteini与C. gracilis蛋白编码基因的CG3分别为0.330和0.343, 说明两个物种线粒体基因组密码子偏好以碱基U或A结尾的密码子为主; CAI值分别为0.148和0.143, CBI值分别为-0.152和-0.151, 均表明密码子偏好性较弱, 且两个物种无较大差异; ENc值分别为49.90和51.07, 也表明具有较弱的密码子偏好性。
表4 Rhizopsammia wettsteini和Cladopsammia gracilis线粒体基因组密码子偏好性主要参数

Tab. 4 Usage bias parameters of Rhizopsammia wettsteini and Cladopsammia gracilis mitochondrial genome

密码子偏好性主要参数 R. wettsteini C. gracilis
T3s 0.477 0.459
C3s 0.160 0.164
A3s 0.323 0.327
G3s 0.277 0.289
CAI 0.148 0.143
CBI -0.152 -0.151
Fop 0.310 0.307
ENc 49.90 51.07
CG3 0.330 0.343
GC 0.381 0.384

2.3 系统发育分析

将本研究获得的两个物种CO1基因序列与木珊瑚科下 8 属 15 种珊瑚的CO1基因序列进行多重比对分析, 以柔枝鹿角珊瑚A. tenuis为外群, 构建系统发育树, 以探究C. gracilis和R. wettsteini的分类地位。结果显示(图4), 同属内珊瑚基本可以聚在一起, 但枝沙珊瑚属(Cladopsammia)并未形成单系, 与其他属的物种聚成分支。Rhizopsammia属和筒星珊瑚属(Tubastraea)在进化树上都聚类为一个大支, 且基部支点的自举支持值较高(consensus support=78.4%), 而枝沙珊瑚属(Cladopsammia)的其他物种则与Eguchipsammia属和陀螺珊瑚属(Turbinaria)等聚类为一个大支部(consensus support=69.2%), 或单独聚类为一个分支(consensus support=100%), 属内物种间分类地位较远。本研究的样品sp1与sp2与外源数据库的同物种基因序列相同或相近, 说明物种鉴定无误。同时进化分析结果表明C. gracilis与Rhizopsammia属关系较近。
图4 基于CO1基因的系统发育树

Fig. 4 Molecular Phylogenetic analysis based on CO1 genes

3 讨论

3.1 Cladopsammia gracilis和Rhizopsammia wettsteini的形态学鉴定

本研究先采用传统的形态学分类的方法, 对比珊瑚杯内隔片的形状、数量、隔片的融合情况以及轴柱等相关细节。C. gracilis和R. wettsteini的形态特征有几处区分关键: 第一, 在群体形态上, C. gracilis是基于一个骨质的基部, 随机方向出芽生殖, 符合Arrigoni等的描述(Arrigoni et al, 2014); 而R. wettsteini在具有类似C. gracilis的出芽特征以外, 还具有向外延展匍匐的生殖根的特点, 这个特征也被学者认为是划分枝沙珊瑚属(Cladopsammia)和Rhizopsammia属的关键(Cairns et al, 2012), 但有时枝沙珊瑚属(Cladopsammia)生殖根会缺失, 导致其看起来是单体生活。关于这个关键特征, Cairns认为枝沙珊瑚属(Cladopsammia)的出芽特征其实是由延展生殖根演化而成的, 生殖根萌芽后产生的底质上的空隙也会逐渐被珊瑚组织填满(Cairns, 2001); 第二, C. gracilis和R. wettsteini均具有发育良好的珊瑚肋, 但C. gracilis的珊瑚肋上具有细疣状突起, 颗粒感强, 而R. wettsteini的珊瑚肋上则是小尖状突起; 第三, 珊瑚隔片特征上, C. gracilis的隔片颗粒感强, 质地较厚, 而R. wettsteini隔片虽同样具有颗粒感, 但薄而脆。后两个特征尚未有文献报道。本研究首先基于有限形态学分类学资料, 进行初步的物种鉴定, 同时也为该两种的区分鉴定提供了新证据。

3.2 Cladopsammia gracilis和Rhizopsammia wettsteini的线粒体全基因组分析

C. gracilis和R. wettsteini的线粒体全基因组全长为19069bp, 接近复杂类群(complex)珊瑚线粒体基因组的长度范围最大值(Kitahara et al, 2014)。两个物种线粒体编码基因组成与大多数六放珊瑚相同, 同样包含13个蛋白编码基因、2个rRNA基因和2个tRNA基因, 均从一条链转录(Chen et al, 2008)。然而, 和大部分六放珊瑚不同的是, 两个物种线粒体17个基因之间没有重叠区域, 与同属木珊瑚科的猩红筒星珊瑚(Tubastraea coccinea)相同(Capel et al, 2016)。
在基因组碱基组成方面, C. gracilis和R. wettsteini均出现了AT偏倚, 这种对AT偏倚在六放珊瑚中十分常见(Kitahara et al, 2014)。本研究两个物种A+T比例约为62%, 这与在其他复杂类群珊瑚中观察到的平均值相近。关于珊瑚中的AT偏倚, 有研究认为, 在坚实类群(robust)中, 较高的AT偏倚一般与DNA修复系统的效率降低有关联(Kitahara et al, 2014), 在复杂类群中尚无相关研究。
密码子使用频率上, 两个物种的使用次数最高的3个密码子同是UUU(Phe)、UUA(Leu)、AUU(Ile),表现出蛋白编码基因的密码子第三位更倾向于使用U碱基的特性, 与大部分六放珊瑚观察到偏向使用以T结尾的密码子的趋势不同(Kitahara et al, 2014)。
总体来说, 在线粒体基因组的组成上, C. gracilis和R. wettsteini高度相似, 基因排列、碱基组成偏倚和密码子使用特性没有较大差异, 两个物种在分子上的区分则需要进一步分析。

3.3 Cladopsammia gracilis和Rhizopsammia wettsteini的亲缘关系分析

在过去的研究中, 木珊瑚科一直被认为是一个兼具浅水珊瑚与深海珊瑚、共生与非共生珊瑚的单系类群(Fukami et al, 2008; Kitahara et al, 2010)。但有学者基于分子标记、微观形态学和微观结构分析认为, 木珊瑚科下的锥形珊瑚属(Balanophyllia)、枝沙珊瑚属(Cladopsammia)、木珊瑚属、Rhizopsammia属和陀螺珊瑚属(Turbinaria)并不是单系类群, 结果更加支持多系群, 故需要进一步的分类学修订(Arrigoni et al, 2014)。枝沙珊瑚属一般被认为是Rhizopsammia属的近亲, 处于木珊瑚属(Dendrophyllia)和Rhizopsammia属两种出芽方式的过渡类型, 但更接近于Rhizopsammia属(Cairns, 2001)。但本文的进化分析显示, C. eguchii与不附着基质生长的Eguchipsammia serpentina和自由生活的Heteropsammia cochlea同属一个进化支, 而C. gracilis则与Rhizopsamia verrilli和 R. wettsteini同属一支, 这与Arrigoni等(2014)的结果一致。前人亦有报道C. gracilis和R. wettsteini的关系相近现象, 并且同时指出该两种珊瑚的CO1基因序列高度相似, 难以区分(Hammerman et al, 2021), 本研究亦印证了这一结果。
在枝沙珊瑚属(Cladopsammia)和Rhizopsammia属的区分划定中, 也存在过修正与厘定。2000年Romano将Rhizopsammia manuelensis 调整为Cladopsammia manuelensis, 依据是这两种珊瑚成熟时期基部共骨和生殖根存在的差异(Romano et al, 2000), 然而第二年Cairns就补充指出根据这种特征进行调整并不合适(Cairns, 2000), 说明两属之间确实关系紧密。本研究中, C. gracilis在进化地位上与R. wettsteini聚为一支的现象, 也同样出现在前人基于微观结构和生活特征构建的进化树上; 同时在形态上与遗传上, C. gracilis与R. wettsteini非常相似, 因此C. gracilis是否归入枝沙珊瑚属(Cladopsammia)值得探讨。

4 结论

本研究对木珊瑚科下的R. wettsteini和C. gracilis进行形态学上的区分鉴定, 得出是否具有生殖根、珊瑚肋突起性状和隔片性质等三个区分思路。同时也测定了R. wettsteini和C. gracilis的线粒体全基因组, 结果表明两个物种基因组组成十分相似, 同样包含13个蛋白编码基因、2个rRNA基因和2个tRNA基因, 与大部分六放珊瑚相同; 但在基因之间是否重叠和密码子偏好性两方面则与大部分六放珊瑚不同, 具有木珊瑚科的特点。基于CO1基因序列构建的进化树显示, R. wettsteini和C. gracilis关系较近, C. gracilis与Rhizopsammia属分为同一进化支, 枝沙珊瑚属(Cladopsammia)内物种间关系均较远。本研究为R. wettsteini和C. gracilis的区分提供了更多形态学依据, 同时也提示我们需要重新审视枝沙珊瑚属(Cladopsammia)的分类地位。

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