利用群體基因組學追蹤斑馬貽貝在美國明尼蘇達州西部擴張前沿的入侵源水域

《Scientific Reports》：Population genomics traces zebra mussel invasions along the expanding western North American front in Minnesota, USA to their source waters

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Scientific Reports 3.9

　　

在北美淡水生態系統中，一種小小的雙殼類動物——斑馬貽貝（Dreissena polymorpha, ZM）及其近親斑驢貽貝，已然成為“生態系統工程師”，但其帶來的往往是破壞性的改變。它們自20世紀80年代通過遠洋貨輪的壓艙水入侵五大湖區域后，便以前所未有的速度擴散，改變了水生生態系統的結構與功能，排擠本地物種，并對基礎設施造成巨大的經濟損失。斑馬貽貝的入侵通常分為兩個階段：第一階段是通過互聯的通航水域快速擴散；第二階段則是向無航道連接的內陸水體的跳躍式入侵，后者主要歸因于游憩船只的陸路運輸。

到了2024年，擁有超過13,000個大小湖泊的美國明尼蘇達州（MN），不幸成為全美斑馬貽貝侵染湖泊數量最多的州。面對這場迅速蔓延的生態危機，明尼蘇達州采取了積極的預防措施，例如在2024年檢查了超過45萬艘船只，并對4100多艘進行了去污處理。然而，資源總是有限的，如何精準地將防控力量投放到最關鍵的位置，成為了管理者的巨大挑戰。傳統的風險評估依賴于對船只、垂釣者交通網絡的分析（如重力模型、垂釣者網絡模型），這些方法追蹤的是潛在的傳播載體（船只），而非入侵生物本身。那么，能否直接從斑馬貽貝的遺傳物質中讀取它們的“旅行日記”，精確追溯它們是從哪個源水體擴散而來的呢？這正是Michael A. McCartney及其團隊在發表于《Scientific Reports》的這項研究中試圖解答的核心問題。

為了精確繪制斑馬貽貝在明尼蘇達州的入侵路線圖，研究人員開展了一項大規模的種群基因組學研究。他們從109個地理種群（涵蓋82個水體，包括明尼蘇達州內的63個內陸湖、五大湖、密西西比河上游等關鍵水域）手工采集了1893只斑馬貽貝個體。利用基因分型測序(GBS)技術，研究人員最終獲得了經過嚴格質控的5775個單核苷酸多態性(SNP)標記數據，平均測序深度約為250X，基因分型率高達0.936，為后續的高分辨率遺傳分析奠定了堅實基礎。

基因分型測序指標

GBS產生了21,702個變異，其中13,809個為雙等位基因單核苷酸多態性(SNP)。經過過濾，最終保留了1900只貽貝的4199個變異位點用于分析。中位測序 reads 數達到每只貽貝509,144條，數據質量可靠。

SNP多樣性 within waterbodies

研究發現，不同水體內的遺傳多樣性（以π衡量）與湖泊大小沒有顯著相關性，表明即使是小湖泊也能維持可觀的遺傳多樣性。

水體內和受侵水體間的遺傳結構

主成分判別分析(DAPC)揭示了三個顯著分化的遺傳譜系。Admixture分析在K=9時交叉驗證誤差最低，結果顯示明尼蘇達州不同湖區以及同一區域內的湖泊間均存在明顯的遺傳分化，甚至相鄰的連通湖泊也不例外。這種模式暗示了斑馬貽貝在特定區域內向多個湖泊擴散的事件。

入侵情景測試結果

研究利用DIYABC-RF方法對58個明尼蘇達州湖泊的入侵來源進行了測試。結果顯示，五大湖（特別是蘇必利爾湖）是22個湖泊的主要推斷來源。密西西比河上游是第二大入侵源。值得注意的是，87.3%的入侵被追溯到明尼蘇達州內的源水體。研究還發現，湖泊密集區域內鄰近湖泊間的入侵非常普遍。

研究結果與基于船只交通量的預期部分吻合，但也存在顯著差異。一些船只交通量巨大的湖泊，如著名的米勒拉克斯湖（Mille Lacs Lake），確實被推斷為三個湖泊的源（需陸路運輸超過110公里）。然而，另一些被網絡分析預測為高風險“超級傳播者”的湖泊（如明尼湯卡湖 Lake Minnetonka），在本研究涵蓋的時間段內并未被推斷為任何已采樣湖泊的源。更令人意外的是，一些船只交通量不大的內陸湖泊（如利齊湖 Lizzie Lake、賴斯湖 Rice Lake）卻被推斷為多個鄰近湖泊的源。這些發現表明，除了拖拽船只之外，可能存在其他重要的傳播途徑，例如與水上設備（船用升降機、碼頭、游泳筏等）的轉移有關。研究記錄了兩個實例，受斑馬貽貝附著的船用升降機在不同湖泊間轉移，導致了新的入侵事件，這為上述推測提供了佐證。

綜上所述，這項研究首次運用種群基因組學方法，精細地描繪了斑馬貽貝在北美入侵前沿——明尼蘇達州的擴散路徑。它不僅揭示了蘇必利爾湖、密西西比河上游以及一些意想不到的內陸湖泊是重要的入侵源，還發現擴散更多發生在湖泊密集區域的鄰近水體之間，而非完全由少數幾個高交通量的“超級傳播者”湖泊主導。這一發現對現有的防控策略提出了重要啟示：在重點關注高交通量湖泊的同時，不應忽視區域內湖泊間的交叉感染風險以及其他潛在的傳播載體（如水上設備）。本研究建立的基因組學數據庫可作為持續的基因組監測平臺，隨著新受侵湖泊的發現不斷更新，從而動態指導防控資源的優化配置，為遏制斑馬貽貝這一持續快速擴張的入侵物種提供科學依據。