项目文章|馒头蟹线粒体基因组：保守基因排序与适应性进化研究

DNA 元莘生物 Origingene

*开通会员可解锁*，盐城师范学院团队在 Ecology and Evolution 期刊发表研究论文，本研究首次解析 5 种馒头蟹属蟹类完整线粒体基因组，揭示其基因组结构特征、系统发育关系与低氧埋栖生态适应机制，为馒头蟹科分类学及短尾类演化历史提供关键分子资源。

英文题目：Conserved Gene Order and Adaptive Evolution in the Mitochondrial Genomes of Calappa Crabs: Insights Into Ecological Specialization and Phylogenetic Utility

发表期刊： Ecology and Evolution

影响因子：2.3

发表时间：*开通会员可解锁*

组学技术：线粒体基因组测序（由上海元莘生物提供技术支持）

研究背景

线粒体基因组因母系遗传、结构保守、进化速率异质等特点，是海洋无脊椎动物谱系分化与系统发育研究的核心分子标记。馒头蟹科（Calappidae）蟹类具备独特埋栖习性，需长期适应底质低氧环境，对能量代谢效率要求极高。此前该科仅 1 条完整线粒体基因组数据，其属间系统发育关系、生态适应分子机制及线粒体基因排序演化特征尚不明确。本研究以 5 种馒头蟹为对象，解析线粒体基因组结构，开展系统发育与正选择分析，阐明其对低氧高能耗环境的适应策略。

研究结果

3.1 线粒体基因组结构与碱基组成

本研究完成了馒头蟹属 5 个物种（Calappa clypeata, Calappa capellonis, Calappa hepatica, Calappa lophos, Calappa philargius）线粒体基因组的测序与完整注释。结果显示，其线粒体基因组均为环状分子，长度在 15587 bp 至 16331 bp 之间，与已知短尾类蟹类基因组大小相近，相关序列已提交至 GenBank 并获得对应登录号。5 个物种均包含标准的 37 个线粒体基因，即 13 个蛋白编码基因、2 个 rRNA、22 个 tRNA 和 1 个调控区，多数基因位于重链，少数基因位于轻链（图 2）。基因组中存在 13 个长度 1–25 bp 的重叠区，最长重叠区稳定出现在 trnL1 与 rrnL 之间，为 25 bp，基因间间隔区在不同物种中位置与长度存在差异。此外，5 种馒头蟹线粒体基因组均表现出高 AT 含量特征，范围为 63.01%–70.37%（图 3），且 ATskew 与 GCskew 均为负值，呈现 T 多于 A、C 多于 G 的碱基偏倚特征（图 3），与方蟹科相关物种的碱基组成规律一致。

图2 Calappa 线粒体基因组图谱

图3 5种馒头蟹全线粒体基因的碱基偏斜分析

3.2 蛋白编码基因与密码子偏好性

五种馒头蟹的蛋白质编码基因（The protein-coding genes，PCGs）均包含 7 个 NADH 脱氢酶基因、2 个 ATP 合酶基因及 4 个细胞色素基因，符合无脊椎动物线粒体基因组的典型组成。与短尾下目特征一致，9 个 PCGs 位于重链，4 个位于轻链。多数基因以 ATN 为起始密码子，以 TAA 或 TAG 为终止密码子。其中，三种馒头蟹的cox2及全部五种的nad5均以不完整终止密码子 T 结尾，推测通过转录后多聚腺苷酸化补齐。该现象在甲壳动物线粒体中常见，可能与基因组压缩进化或 RNA 编辑相关，体现了线粒体基因组的动态进化特性。

在C. clypeata、C. capellonis、C. philargius和C. lophos的 13 个蛋白质编码基因中，丝氨酸（Ser）为使用频率最高的氨基酸，占比分别为 12.8%、9.7%、9.3% 和 16.0%（图 3）。而C. hepatica中使用最多的氨基酸为亮氨酸（Leu），占比 15.2%（图 4）。异亮氨酸（Ile）和苯丙氨酸（Phe）的使用比例亦较高，这些氨基酸均由含 T 或 TA 的密码子编码，该现象与线粒体基因组呈现的强 AT 碱基偏好性相一致。

图4 Calappa 中的相对同义密码子偏好性 (RSCU) 分析

3.3 转运 RNA、核糖体 RNA 与控制区

五种馒头蟹的线粒体均含 22 个 tRNA，长度 61–73 bp，多数为典型三叶草结构，部分 tRNA 缺失 TΨC 环或 DHU 臂，但不影响功能，tRNA 中存在大量 G–U 等非规范配对，可通过转录后修饰校正。rRNA 总长 2163–2183 bp，12S 与 16S rRNA 由 trnV 分隔，AT 含量 68.37%–74.42%，呈中度 AT 偏倚。线粒体控制区位于 rrnS 与 trnI 之间，偏离经典位置，长度 699–1143 bp，AT 含量 60.04%–81.12%，所有物种的控制区均检测到重复序列。该区域作为线粒体复制与转录的调控区，结构存在明显种间变异，重复序列可能影响其稳定性与进化速率，整体体现出短尾类线粒体控制区的结构多样性。

3.4 系统发育分析

基于 189 种短尾类和 17 种异尾类的 13 个 PCGs 氨基酸序列进行系统发育树分析，最大似然法（Maximum Likelihood， ML） 与 贝叶斯推断法（Bayesian Inference，BI ）构建的系统发育树在拓扑结构高度一致。图 5结果显示，本研究 5 种馒头蟹与 C. bilineata构成了馒头蟹总科的核心分支，并形成了可信度极高的单系群（贝叶斯后验概率 /最大似然自展值 BPP/ML=1/100）。42 个科中多数为单系，沙蟹总科与方蟹总科呈复系，与近年分子研究结论相符。此外，毛带蟹科为并系，和尚蟹科处于方蟹总科与沙蟹总科的基部位置。本研究支持线粒体基因组适用于蟹类系统发育重建，但仍需扩大物种采样以稳定高阶拓扑结构。

图5 使用 ML 和 BI 对189个短尾目和17个异尾类物种作为外类进行系统发育分析

3.5 分歧时间估计

BEAST 分析表明Calappa内部存在显着的分化模式。具体来说，C. capellonis 首先分化，其次是 Calappa clypeata 和 Calappa hepatica，这两个物种之间的分歧时间估计为 17.73Ma（95%可信区间=6.25–29.16 Ma），表明它们的物种形成可能起源于中新世早期（图 6）。C. lophos，C. philargius和 C. bilineata 分化时间极近（约 0.21 Ma），推测由更新世至全新世的气候与海平面波动引发快速物种形成。本研究时间节点与核基因、转录组研究结果基本一致，印证了短尾类在白垩纪-古近纪界线附近的快速辐射演化。

图6 基于 206 个物种数据集构建的时间树，节点误差棒表示节点分化时间的 95% 置信区间

3.6 基因重排

短尾下目的线粒体基因排列普遍受到较强的进化约束，多数类群保留祖先型基因排序。本研究对馒头蟹总科的基因排列分析进一步证实了这一规律，所测 5 种馒头蟹科与3种黎明蟹科物种均遵循短尾下目祖先型基因顺序，未检测到任何重排事件。从生态习性看，黎明蟹科善游泳捕食，而馒头蟹科特化营埋栖生活，但二者线粒体基因排列高度一致，这与异尾下目频繁发生基因重排的现象形成鲜明对比。结果表明，馒头蟹总科继承了短尾下目基因组稳定的共性，其保守的基因排序可作为可靠的系统发育标记，维持稳定性的分子机制仍需在更多类群中深入探究。

3.7 选择压力分析

为了研究短尾蟹线粒体基因的适应性进化，作者使用 CodeML 软件并应用分支位点模型来分析206个蟹类PCGs的选择压力，同时确定非同义与同义替换率的比率（dN/dS，表示为ω）。研究发现 ATP6、ND2 和 ND5 基因显示出显着的适应性进化信号，并且具有多个正选择位点（图 7）。这些正选择位点可能通过改变蛋白结构与功能，提升线粒体能量代谢效率，进而适应埋栖或游泳捕食等不同生态习性。研究表明，线粒体关键功能基因的正选择进化是馒头蟹总科适应环境的重要分子基础，为揭示短尾类环境适应机制提供了分子证据。

图7 ATP6（A）、ND2（B）和 ND5（C）蛋白的三维结构示意图，检测到的正选择位点以红色标注

研究结论

本研究解析 5 种馒头蟹线粒体基因组，均含 37 个保守基因，具高 AT 偏倚与不完全终止密码子等典型特征。系统发育分析支持馒头蟹属为单系群，沙蟹总科与方蟹总科呈复系。分化时间显示，短尾下目起源于早侏罗世，主要类群在白垩纪–古近纪交界快速辐射，馒头蟹属在中新世分化，近缘种于更新世快速形成。线粒体基因排列高度保守，未发生重排，体现强进化约束。选择压力分析表明，ATP6、ND2、ND5 存在显著正选择，位点集中于跨膜区，提示能量代谢基因的适应性进化与其埋栖缺氧环境适应密切相关。本研究填补馒头蟹科分子资源空白，为蟹类系统发育提供稳定标记，揭示底栖甲壳类适应机制，为生物进化与多样性保护提供重要依据。

文章引用

WANG Z F, WU H W, JIANG W J, et al. Conserved gene order and adaptive evolution in mitochondrial genomes of calappa crabs: insights into ecological specialization and phylogenetic utility[J]. Ecology and Evolution, 2026, 16: e73282.

元莘生物成立于 2016 年 7 月，总部位于上海市闵行区航天城板块，专注于将前沿分子生物学技术和高性能计算应用于生命科学研究及人类健康领域，为客户提供高通量基因测序、临床医学基因检测、生物信息学服务等一站式、全方位服务与系统解决方案。公司拥有一支由海内外顶级名校人才组成的多学科交叉型高素质团队，其中博士及硕士学历占比超 75%，以创始人为首的生物信息学专业分析团队，在人类疾病和转录调控等多个层面积累了丰富经验。公司是上海市院士专家工作站建站企业，曾荣获国家高新技术企业、国家科技型中小企业、创青春中国青年创业大赛优胜奖、创客中国 20 强等荣誉。公司目前已拥有美国发明专利授权 2 项，软件著作权授权 70 余项，同时已申请国家发明专利 40 余项。

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