探究海洋生态系统连通性和生物对环境的适应性机制对于预测全球变化背景下生物的分布格局和应对策略以及海洋生态系统的管理和保护具有重要意义。海洋生态系统连通性是不同生态系统间生物交流和物质能量输送的基础，受到海底地貌、海洋环流、物种自身生物学特性以及人类活动等因素的影响。海洋生物群体规模较大，大部分扩散能力较强且有着复杂多样的谱系地理格局，因此探究海洋生物遗传多样性分布、群体遗传结构的不同模式是在遗传学层面间接解析海洋连通性的有效方法。日趋加剧的全球气候变化和人类活动在不断改变生物面临的选择压力，从而对生物多样性产生影响，因此在分子遗传学层面查明广布种生物对于环境压力的适应性进化以及对于深入理解生物对异质性环境的本地适应性机制十分关键。

西北太平洋分布着世界上约75%的边缘海且有着复杂的水文特征，并受到人类活动的剧烈影响，且海域辽阔，纬度跨度大，不同海域环境因子间存在明显异质性。沿岸岩相潮间带受到海陆气候的双重影响，对于生物而言环境压力多样且变化频繁，并且江苏沿岸在人类活动的干扰下形成了类似岩相潮间带的人工沿岸硬基质。因此，西北太平洋沿岸岩相潮间带生物是研究生态连通性影响下群体遗传结构和环境与基因互作驱动生物适应性进化机制的理想对象。腹足类生物短滨螺（Littorina brevicula, Philippi, 1844）广泛分布于从日本北海道至中国香港的岩相潮间带环境，冬季繁殖，幼虫具有数周浮游期，是分布范围岩相潮间带生境的优势种，且具有与两侧对称动物祖先相同的染色体数量（n=17），其分布及生活史特性使其成为探究西北太平洋不同海域及生态系统间连通性、佐证江苏沿岸冬季沿岸流流向、潮间带环境适应性进化遗传机制，以及两侧对称动物核型演化历程的理想对象。查明其西北太平洋分布范围内的群体遗传结构及其影响因素、对江苏沿岸人工基质上新形成群体进行溯源并分析驱动其扩散的动力，以及筛选滨螺适应潮间带环境的候选基因和位点对于全面理解西北太平洋生态连通性和生态管理保护具有重要意义。作为一种潜在的生态学和适应性进化研究的模式生物，相关的研究已经在滨螺科各物种中展开，但由于参考基因组资源的匮乏，群体遗传结构及适应性进化相关研究尚未得到深入系统的开展。

本研究在组装短滨螺染色体水平高质量参考基因组和基因注释的基础上，通过比较基因组学，结合中华滨螺（Littoraria sinensis, Philippi, 1847）基因组筛选与潮间带适应相关的候选基因（家族），在物种层面分析滨螺应对潮间带多种环境因子胁迫且高度多变环境的适应性进化机制和核型演化历程；对短滨螺20个群体的样本进行基因组重测序，利用全基因组单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphic loci, SNP）位点为高分辨率分子标记，精细解析短滨螺分布范围内的遗传结构和历史动态，探讨了西南黄海和东海生态系统的连通性，并分析边缘海隔离下北方组群间遗传分化的主要原因；基于基因组离散位点和与环境因子关联位点，结合同质园实验、热胁迫实验和转录组测序，从群体间遗传分化和转录表达可塑性两个方面分析短滨螺不同地理群体适应当地环境（特别是温度）的本地适应性机制，并探讨了短滨螺热应激基因表达模式。本研究的主要结果如下：

1. 构建了短滨螺高质量染色体水平参考基因组，探究了滨螺对于潮间带多种环境因子胁迫及高度多变环境的适应性机制和核型演化历程。

通过三代长读长单分子实时测序技术（PacBio Single Molecule Real-Time sequencing, SMRT）测序和高通量染色体构象捕获技术（High-throughput chromosome conformation capture, HiC）测序，结合转录组测序组装了短滨螺高质量染色体水平参考基因组，是目前滨螺科第二个参考基因组。结合中华滨螺基因组，与其他9个物种一起开展了比较基因组学研究。通过系统发育分析估算各分支的分歧时间，并推测Littorina和Littoraria两个属分化于~128 Mya之前；基因家族聚类、扩张收缩和正选择分析结果显示：与代谢过程、抗氧化过程、应激反应和先天免疫相关的基因（家族）对于滨螺应对潮间带多种环境压力十分关键，而且滨螺可能会通过维持核酸及蛋白正常功能、修复/清除胁迫后受损核酸/蛋白的方式来维持细胞内稳态，从而抵抗细胞凋亡；通过两种滨螺与虾夷扇贝基因组的宏观共线性分析间接探查滨螺与两侧对称动物祖先染色体的共线关系，发现滨螺17条染色体可能从祖先状态通过4次染色体分裂和4次染色体融合演化而来，且其中3次分裂和1次融合可能发生在双壳纲和腹足纲分化之前。相关结果为后续的基因组学、遗传进化和环境适应性机制研究提供了参考。

2. 从全基因组层面精确解析了西北太平洋短滨螺群体遗传结构和历史动态，探讨了不同海域的生态连通性及影响群体遗传结构的历史和地理因素。

利用西北太平洋沿岸20个地理群体，309个短滨螺个体的全基因组重测序数据，筛选SNP位点，提取线粒体基因组完整序列，利用两种分子标记，分析遗传结构和动态历史。群体遗传结构结果将20个群体分为5个遗传组群：中国南方群体、中国南黄海群体、中国渤海湾和北部黄海群体、日本海群体和太平洋侧的日本群体。其中长江口以南的群体和以北的群体间存在明显遗传分化；通过对于江苏沿岸人工基质上新形成群体的溯源研究，发现以~34°N为界分别有着南北方自然群体来源，结合短滨螺生活史特性，说明西南黄海和东海生态系统在冬季存在着较强的连通性，为江苏沿岸冬季33.5°N以南存在北向沿岸流的观点提供了生物学作证，并推测之前岩相潮间带生境的不连续是造成南北方谱系分化的主要原因；首次解析了北方群体间的遗传分化：在更新世冰期和间冰期影响下，短滨螺群体在末次间冰期和末次冰期后发生扩张，而冰期时海平面的下降和避难所形成的隔离效应是日本海群体与其他群体分化的主要原因，日本海的短滨螺群体和黄海沿岸的群体可能都是在南北谱系形成之后由以渤海和北部黄海以及太平洋侧为代表的古老北方组群演化而来；而北方各群体间显著的遗传分化水平也暗示了末次冰期之后北方组群在边缘海的隔离和涡旋影响下，基因流可能依然受到限制。相关结果查明了短滨螺全分布范围内群体遗传结构，并探讨了其影响因素，为西北太平洋生态系统连通性的认知和保护管理规划提供了参考。

3. 采用基因组离散SNP和与温度关联位点以及转录组分析结合的方式，综合探讨短滨螺群体对于环境（温度）的本地适应性机制。

共筛选得到496个离散位点和2,041个与日最高气温和日平均气温均相关的SNP位点，基因注释和富集的结果显示二者筛选到基因功能较为一致，主要包括与能量代谢、盐度调节、先天免疫、蛋白质重复折叠和核酸稳定性维持相关的过程，暗示不同环境的选择作用可能影响了短滨螺应激反应能力、对病原体的免疫力和能量代偿，从而使不同群体间产生适应性分化；高温胁迫实验和转录组分析结果显示：在转录表达可塑性方面，短滨螺响应高温刺激的主导方式是在受到高温刺激的短时间内（<6 h）做出反应，通过热休克蛋白（Heat shock protein, Hsp）基因表达量的调整在细胞内生成大量的Hsp，同时与先天免疫、能量代谢和细胞抗凋亡相关的基因在热胁迫下表达量也显著上调，以防止蛋白质的变性和细胞功能的丧失；低纬度群体相较于高纬度群体在同等水平的热胁迫下热应激基因的表达水平更高，对于高温刺激有着更好的适应性，而南方的厦门群体有着与北方的大连和青岛群体差异较大的热激基因表达模式，并且在热激前的对照组南方群体热激基因的表达量就高于北方群体，可能是栖息地环境使其对于高温刺激有了“预适应”策略，在热胁迫下能更好地存活。相关结果从基因组适应性遗传变异和转录组表达可塑性方面综合探讨了短滨螺对于环境（特别是高温）的本地适应性机制，为预测全球变化下生物的适应潜力提供了基础。

综上所述，本研究利用三代长读长测序、高通量染色体构象捕获技术测序、全基因组重测序和基于同质园实验的转录组学测序数据，在构建短滨螺高质量染色体水平参考基因组的基础上，通过比较基因组学探讨了滨螺生物适应岩相潮间带高压多变环境的潜在遗传机制，推演了两侧对称动物祖先核型到滨螺核型的演化历程；利用全基因组SNP位点和线粒体基因组完整序列精细解析了短滨螺的群体遗传结构，探讨了在历史和地理因素影响下不同谱系间分化的原因和西北太平洋生态系统的连通性模式；筛选了短滨螺基因组中在不同环境因子选择作用下产生适应性遗传分化的位点和基因，并揭示了高温胁迫下不同短滨螺群体的基因表达模式差异，在群体遗传分化和转录表达可塑性两方面初步探究了不同地理群体短滨螺的本地适应性机制。本研究的结果可以为西北太平洋的科学管理提供理论支持，为预测全球气候变化下生物分布模式的改变和适应潜力的评估提供了参考依据。

第1章 绪论&nbsp; 1

1.1 海洋生态系统连通性及浮游幼虫扩散简述 1

1.1.1 海洋生态系统连通性&nbsp;&nbsp; 1

1.1.2 海洋生物群体的浮游幼虫扩散 2

1.2 西北太平洋及岩相潮间带环境概述 5

1.2.1 西北太平洋概述 5

1.2.2 岩相潮间带环境概述&nbsp;&nbsp; 8

1.3 生物对于环境的适应性进化&nbsp; 10

1.3.1 宏观进化尺度：物种层面的适应性进化研究&nbsp; 11

1.3.2 微观进化尺度：群体层面的本地适应性研究&nbsp; 13

1.4 短滨螺的研究概述 14

1.4.1&nbsp; 短滨螺的习性特征 14

1.4.2&nbsp; 短滨螺的研究现状 15

1.5本研究的意义和思路&nbsp; 16

1.5.1&nbsp; 研究意义和科学问题&nbsp; 16

1.5.2 研究目标和技术路线&nbsp;&nbsp; 17

第2章 滨螺的潮间带适应性进化机制和核型演化历程&nbsp; 19

2.1 引言&nbsp; 19

2.2&nbsp; 材料与方法 20

2.2.1&nbsp; 样品采集与测序 20

2.2.2&nbsp; 参考基因组组装、挂载和注释&nbsp; 22

2.2.3&nbsp; 基因家族、系统发育分析和分化时间估计 23

2.2.4&nbsp; 基因家族收缩和扩张分析 23

2.2.5&nbsp; 正选择分析 23

2.2.6&nbsp; 宏观共线性分析 23

2.3&nbsp; 研究结果&nbsp; 24

2.3.1&nbsp; 参考基因组组装、挂载和注释&nbsp; 24

2.3.2&nbsp; 基因家族聚类、系统发育分析和分化时间估计&nbsp; 24

2.3.3&nbsp; 扩张的基因家族与正选择基因&nbsp; 26

2.3.4&nbsp; 宏观共线性分析 28

2.4&nbsp; 讨论 28

2.4.1&nbsp; 分化时间的估计 29

2.4.2&nbsp; 滨螺对于潮间带环境适应的潜在分子机制 29

2.4.3&nbsp; 滨螺的核型演化历程&nbsp; 33

2.5&nbsp; 本章小结&nbsp; 34

第3章 西北太平洋短滨螺群体遗传结构和历史动态 36

3.1 引言&nbsp; 36

3.2 材料与方法&nbsp; 37

3.2.1 样品采集与基因组重测序&nbsp; 37

3.2.2 全基因组SNP位点筛选 39

3.2.3 短滨螺线粒体基因组组装和提取 40

3.2.4 短滨螺群体分化和遗传结构分析 40

3.2.5 短滨螺群体历史动态分析&nbsp; 41

3.3 研究结果 41

3.3.1 基因组重测序及SNP位点筛选 41

3.3.2 基于SNP位点的分析&nbsp;&nbsp; 42

3.3.3 基于线粒体基因组的分析&nbsp; 46

3.3.4 群体历史动态分析&nbsp; 47

3.4 讨论&nbsp; 48

3.4.1 西北太平洋沿岸流系统驱动下的基因流 49

3.4.2 边缘海的隔离效应和短滨螺的群体历史动态&nbsp; 50

3.5 本章小结 51

第4章 基于群体基因组学和转录组学探讨短滨螺本地适应性 53

4.1 引言&nbsp; 53

4.2 材料与方法&nbsp; 54

4.2.1 SNP离散位点的筛选和环境因子关联分析&nbsp; 54

4.2.2 转录组样品采集与同质园实验 55

4.2.3 升温胁迫实验和转录组测序&nbsp; 55

4.2.4 基因表达定量分析&nbsp; 55

4.2.5 基因差异表达分析及功能富集 56

4.3 结果&nbsp; 56

4.3.1 离散位点筛选与环境因子关联分析&nbsp; 56

4.3.2 转录组测序&nbsp; 59

4.3.3 基因表达水平量化及主成分分析 59

4.3.4 基因的差异表达分析&nbsp;&nbsp; 61

4.4 讨论&nbsp; 64

4.4.1 选择作用下基因组层面的适应性分化&nbsp;&nbsp; 65

4.4.2 转录表达可塑性影响下短滨螺群体的高温胁迫应对机制&nbsp; 66

4.5 本章小结 68

第5章 研究总结与展望 70

5.1 研究总结 70

5.2 主要创新点&nbsp; 70

5.3 研究不足之处&nbsp; 71

5.4 展望&nbsp; 71

参考文献&nbsp; 73

附录一&nbsp; 短滨螺基因组蛋白编码序列注释结果 94

附录二&nbsp; 滨螺特有基因家族GO富集结果 95

附录三&nbsp; 182个短滨螺重测序个体数据产出情况&nbsp; 99

附录四&nbsp; 离散位点关联基因GO富集结果 105

附录五&nbsp; 日平均温度和日最高温度关联位点基因GO富集结果 106

附录六&nbsp; 可塑性热应激上调基因GO富集结果&nbsp; 110

附录七&nbsp; 可塑性热休克蛋白基因在热胁迫下的表达水平&nbsp;&nbsp; 112

致&nbsp; 谢 114

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&nbsp; 117