Comparative genomic studies of the family Cyrenidae (Bivalvia: Mollusca) for understanding adaptive evolution into freshwater environments

Abstract

생물의 서식지 이동은 새로운 환경에 성공적으로 적응한 후 종의 다양화를 동반하는 주요한 기작 중 하나이다. 이매패에 속하는 재첩과는 기수에서 담수 환경으로 성공적으로 적응한 잘 알려진 이치아강에 속하는 그룹으로, 계통 특이적인 다양한 발생 방법을 보인다. 이러한 이유로 재첩과의 종들은 담수 환경으로의 적응진화 방사 패턴을 이해하기 위한 모델 분류군으로 관심을 받고 있다. 첫번째로, 재첩과에 속하는 12종의 미토콘드리아 유전체 서열을 이용하여 계통 유연관계 분석 및 분자 시계 기반 발산 시간 (divergence time)을 추정하였다. 그 결과, 재첩과의 종은 2개의 clade로 나뉘는 것을 확인하였다. Clade I에는 남아메리카에 서식하는 담수 종인 Cy. limosa (부모양육 종 (parental care))와 북/중앙 아메리카에 서식하는 기수 종인 P. floridana와 P. caroliniana (플랑크톤 영양 유생 시기를 거치는 종 (planktotrophic))가 자매군을 형성하였고, clade II는 기수에 서식하는 (planktotrophic) 종과 담수 종 (planktotrophic과 parental care) 혼합된 나머지 재첩과 종들로 구성되었다. 발산 시간 추정 결과 재첩과의 종들은 3가지의 다른 공간 및 지질학적 기간동안 독립적으로 담수 서식지로의 적응진화가 일어난 것으로 나타났다. 첫번째는 초기 쥐라기에 아메리카 대륙에서, 두번째, 세번째는 초/중기 백악기와 팔레오기-네오기 경계에 호주/동아시아 대륙에서 각각 담수로 이주한 것으로 추정되었다. 이 연구는 다양한 지질학적 시간대의 판 구조론에서 추론된 고대 분산 사건과 일치하는 다중 담수 환경으로 이동의 시간적 및 공간적 패턴에 대한 중요한 새로운 통찰을 제공한다. 또한, 미토콘드리아 계통 분석 결과 재첩과 내에서 parental care 시스템의 반복적인 평행 진화에 대한 이전 가설을 확인하였다. 두번째로, 재첩과에 속하는 담수재첩과 기수재첩의 전장유전체를 시퀀싱 및 분석했다. C. sandai의 유전체는 총 길이 1.15 Gb로 조립되었으며, N50은 820.40 Kb였다. C. japonica의 유전체는 총 길이 1.17 Gb로 조립되었고, N50은 193.28 Kb였다. 담수재첩인 C. sandai와 기수재첩 C. japonica가 저염도 환경 스트레스에 대한 진화적 유전체 반응을 조사하기 위해, 차등 발현 유전자(differentially expressed genes)를 분석한 결과, 면역 반응과 이온 운송과 관련된 여러 주요 단백질들이 저염도 환경에서 많이 발현된 것을 확인했다. 특히, NFIL3, IRAK4, TRAF3, 그리고 Hsp70과 같은 유전자들이 많이 발현되었으며, 이는 담수의 저염도 환경에서 오는 스트레스를 완화하고 세포 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. 또한 담수 종인 C. sandai에서 아쿠아포린(AQP2와 AQP8), ABC transporter 및 이온 운반 관련 단백질(ion transporter)을 포함한 막 단백질들의 발현이 상향 조절(upregulated) 된 것을 확인하였다. 차등 유전자 발현 분석은 C. sandai에서 이온 운반과 관련된 여러 유전자들의 발현이 증가되었으며, 해양에서 담수 환경으로의 서식지 전환을 촉진하는 분자 메커니즘을 밝히는 데 기여한다. 이 연구는 이매패류가 다양한 환경 조건에 적응하는 진화적 적응을 이해하는 데 기여하며, 염분 내성의 유전적 연구의 토대를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.; Habitat transitions in living organisms are key innovations often coupled with species diversification after their successful adaptation to new environment. The family Cyrenidae is among the most well-known heterodont bivalve groups that have successfully invaded freshwater systems from brackish water environments and display diverse lineage-specific developmental modes. In this respect, this family has attracted a special attention as a model taxon for understanding the patterns of evolutionary radiation into freshwater environments. First, phylogenetic and molecular clock-based divergence time analyses using 12 complete mitochondrial genome sequences of cyrenids were performed. The resulting phylogenetic trees subdivided the Cyrenidae species into the New World (clade I) and Old World (clade II) groups. Within clade I, the South American freshwater species Cy. limosa (parental care) is sister to the North/Central American brackish water species P. floridana and P. caroliniana (planktotrophic), while clade II comprises the remaining of Cyrenidae species containing a mixture of brackish water (planktotrophic) and freshwater (planktotrophic and parental care) members. The molecular clock-based divergence time analysis suggests that the Cyrenidae species independently colonized freshwater habitats during three distinct spatial and geological periods: one from the American continents approximately in the Early Jurassic and the two others from Australasian/East Asian continents in the Early/Middle Cretaceous and the Paleogene-Neogene boundary, respectively. This study provides significant new insight into the temporal and spatial patterns of multiple freshwater invasions, aligning with ancient vicariance events inferred from different geological timelines of plate tectonics. Additionally, mitogenome phylogeny confirms the earlier hypothesis of the repeated parallel evolution of the parental care system within this bivalve group. Second, the first genome assemblies of the freshwater clam C. sandai and the brackish water clam C. japonica were provided in this study. The C. sandai genome was assembled to a total length of 1.15 Gb, with an N50 of 820.40 Kb. The C. japonica genome was assembled into a total length of 1.17 Gb with an N50 of 193.28 Kb. To investigate the evolutionary genomic responses of the freshwater clam C. sandai and the brackish water clam C. japonica to low-salinity stress, differentially expressed genes were analyzed, revealing that several key proteins related to immune response and ion transport were upregulated in low-salinity environments. Specifically, genes such as NFIL3, IRAK4, TRAF3, and Hsp70 were significantly upregulated, suggesting their crucial roles in mitigating stress and maintaining cellular homeostasis under low-salinity conditions. The analysis also highlighted the upregulation of transmembrane proteins, including aquaporins (AQP2 and AQP8), and ABC transporters, and ion transporter-related proteins in C. sandai. Overall, the differential gene expression analysis indicated an increase in the expression of multiple genes associated with ion transport in C. sandai, shedding light on the molecular mechanisms that facilitate habitat transitions from marine to freshwater environments. This study enhances the understanding of the evolutionary adaptations of bivalves to diverse environmental conditions and offers a foundation for further research on the genomic basis of salinity tolerance.