Характер океанских течений способствует всемирной колонизации взморника (пристань Зостера)

Природные растения (2023)Цитировать эту статью

1860 Доступов

93 Альтметрика

Подробности о метриках

Течения являются уникальными движущими силами океанической филогеографии и, таким образом, определяют распространение морских прибрежных видов, а также прошлые оледенения и изменения уровня моря. Здесь мы реконструируем мировую историю колонизации взморника (Zostera marina L.), наиболее широко распространенного морского цветкового растения или морской травы с момента его происхождения в северо-западной части Тихого океана, на основе ядерных и хлоропластных геномов. Мы идентифицировали две расходящиеся тихоокеанские клады со свидетельствами примеси вдоль восточного побережья Тихого океана. Два события колонизации с запада на восток (Транстихоокеанский регион) подтверждают ключевую роль Северо-Тихоокеанского течения. Калиброванная по времени филогения ядер и хлоропластов позволила получить согласованные оценки прибытия Z. marina в Атлантику через канадскую Арктику, что позволяет предположить, что экосистемы, основанные на взморнике, являющиеся очагами биоразнообразия и секвестрации углерода, существовали там всего лишь ~ 243 тыс. лет назад (тысячи тысяч лет назад). годы). Средиземноморские популяции были основаны примерно 44 тыс. лет назад, в то время как сохранившиеся популяции вдоль западных и восточных берегов Атлантического океана были основаны в конце последнего ледникового максимума (~ 19 тыс. Лет назад), при этом по крайней мере одним крупным убежищем был регион Северной Каролины. Недавняя колонизация и снижение геномного разнообразия Атлантического океана в пять-семь раз по сравнению с тихоокеанскими популяциями вызывают обеспокоенность и возможности относительно того, как атлантический угри может отреагировать на быстрое потепление прибрежных океанов.

Морские травы — единственные цветковые растения, вернувшиеся в море ~67 млн лет назад (миллионы лет назад). Три независимые линии произошли от пресноводных предков, живших примерно 114 млн лет назад (ссылка 1). Морские травы являются основой целых экосистем, процветающих во всех мелководных прибрежных районах мирового океана, за исключением Антарктиды2. Безусловно, наиболее географически широко распространенным видом является взморник (Zostera marina), встречающийся в тихоокеанских и атлантических районах Северного полушария от умеренно-теплых до арктических сред3, охватывающий 40° широты и диапазон среднегодовых температур ~18°C (рис. 1а). Угрес является уникальным основным видом, поскольку никакая другая современная морская трава не может заполнить свою экологическую нишу в умеренно-холодном и арктическом северном полушарии3 (дополнительное примечание 1). В то же время луга с зодиками выполняют важные функции питомников и экосистемные услуги, включая защиту от эрозии, круговорот питательных веществ и значительную секвестрацию углерода4.

а, Зеленые зоны указывают на присутствие Z. marina. Локации Арктической Канады были добавлены из ссылки. 76. Оранжевая линия вдоль сибирского побережья указывает на отсутствие Z. marina на основании беглых исследований Alismatales, включая Z. marina, российскими коллегами. Для последних характерны галечные берега, речные стоки и мутные воды. Подробные метаданные о местоположении можно найти в дополнительной таблице 1. b, Генетическое разнообразие: ящичковые диаграммы (медиана, 25/75% процентиль, усы диапазона в пределах 1,5 × межквартильного диапазона, выбросы> 1,5 × межквартильного диапазона) нуклеотида разнообразие (π), рассчитанное для каждой из шести хромосом на основе 44 865 SNP (дополнительный рисунок 1). Каждая точка данных указывает на одну хромосому. c, Бокс-диаграммы отдельных Hobs с полногеномной гетерозиготностью на основе 144 773 SNP (набор данных ZM_neutral_SNPs; дополнительный рисунок 1), as (количество гетерозиготных сайтов)/(общее количество сайтов с вызовами генотипов). Каждая точка данных соответствует отдельному человеку (N = 2–14 особей, точные значения см. Исходные данные на рис. 1). Статистические тесты на различия в среднем π или Hobs приведены в дополнительной таблице 4. WN, Уэльс-Север; FR, Средиземноморская Франция; Чехия, Хорватия.

Источник данных

Учитывая очень широкий ареал естественного распространения, превосходящий большинство видов наземных растений, наша цель состояла в том, чтобы реконструировать основные пути колонизации взморника, начиная с предполагаемого происхождения Z. marina в западной части Тихого океана вдоль Японского архипелага5,6. Течения являются уникальными движущими силами филогеографических процессов в океане, и мы предположили, что Северо-Тихоокеанское течение, Аляскинское и Калифорнийское течения в Тихом океане, а также Лабрадор, Гольфстрим и Северо-Атлантический дрейф в Атлантике способствовали его всемирной колонизации. Будучи цветущим растением, побеги взморника, несущие семена, остаются живыми в течение нескольких недель и, как было показано, способны преодолевать десятки и сотни километров, обеспечивая биологический механизм распространения на большие расстояния7 (дополнительное примечание 1).

3 kbp were retained (‘ZM_Core_SNPs’, 11,705 SNPs; Supplementary Figs. 1 and 2; see Methods for further explanation)./p>1. Colours correspond to the population. Split-coloured circles indicate that a particular haplotype is shared between populations; the circle size is proportional to the frequency. PC2, principal component 2./p>50° N, Supplementary Note 1), historical contingency8 has played a previously underappreciated role for the establishment of this unique and productive ecosystem. The recency of the arrival of eelgrass in the Atlantic may also explain why relatively few animals are endemic to eelgrass beds or have evolved to consume its plant tissue directly (Supplementary Table 6). Greater numbers of species are found to be intimately associated with Z. marina in the Pacific than the Atlantic, including specialist feeders, facultative feeders on green tissue and habitat specialists./p>30-fold differences among populations with the highest (JS) versus lowest (NN) diversity. This observation may have significant but as yet unknown consequences for the adaptive potential and genetic rescue of eelgrass in the Anthropocene./p>2 m was maintained to reduce the likelihood of collecting the same genet/clone twice, this was not always successful (compare with Supplementary Table 3) and thus provided an estimate of local clonal diversity./p>60% identity and >60% coverage from a single alignment or (2) >85% identity and >85% coverage split across three or fewer scaffolds. Individual presence–absence-variation calls were combined into a matrix to classify genes into core, cloud and shell categories based on their observation across the population. The total number of genes considered was 20,100. Because identical genotypes and fragmented, low-quality assemblies can bias and skew presence–absence-variation analyses, only 141 single representatives of clones and ramets with greater than 17,500 genes were kept to ensure that only unique, high-quality assemblies were retained. Genes were classified using discriminant analysis of principal components61 into cloud, shell and core gene clusters based on their frequency. Core genes were the largest category, with 18,717 genes that were on average observed in 97% of ramets./p> 60.0; QD < 10.0; MQRandSum > 2.5 or MQRandSum < −2.5; ReadPosRandSum < −2.5; ReadPosRandSum > 2.5; SOR > 3.0; DP > 10,804.0 (2 × average DP). Those SNPs were excluded by SelectVariants (GATK4). A total of 3,975,407 SNPs were retained. VCFtools65 was used to convert individual genotypes to missing data when GQ < 30 or DP < 10. Individual homozygous reference calls with one or more reads supporting the variant allele, and individual homozygous variant calls with ≥1 read supporting the reference, were set as missing data. Only bi-allelic SNPs were kept (3,892,668 SNPs). To avoid the reference-genome-related biases, due to the large Pacific–Atlantic genomic divergence, we focused on the 18,717 core genes that were on average observed in 97% of ramets. Bedtools66 was used to find overlap between the SNPs and the core genes, and only those SNPs were kept (ZM_HQ_SNPs, 763,580 SNPs). Genotypes that were outside our custom quality criteria were represented as missing data./p>50% (Supplementary Fig. 8) and the total coverage of the position was >30% of the median coverage (174 variable positions). Then 11 positions likely related to microsatellites and 12 positions reflecting minute inversions caused by hairpin structures69 were removed from the final set of variable positions for the haplotype reconstruction (151 SNPs). For the phylogenetic tree reconstruction, we further selected 108 SNPs that represent parsimony-informative sites (that is, no singletons)./p>