简介

众所周知，海洋生物的传染病很难诊断1该领域的治疗选择有限，而且是劳动密集型的2，3.，4，5．因此，疾病的传播速度可能很快超过治疗速度，并导致人口减少或损失。因此，迫切需要制定和实施战略，以减轻疾病在受影响人群中的传播。一种有前途的方法依赖于利用影响种群内和种群间疾病传播的生态和进化过程。例如，在农业和小规模实验中水蚤当具有不同抗性的基因型组合在一起时，种内基因型多样性可以抑制疾病的传播6，7．这些发现虽然未经测试，但对海洋物种的恢复有着深远的影响，这些海洋物种很容易受到疾病的影响，比如珊瑚。

珊瑚礁因珊瑚疾病而大量死亡8，9，10特别是在加勒比地区。高传染性白带病(WBD)11，例如，导致占主导地位的珊瑚礁建筑几乎完全崩溃疣cervicornis而且疣palmata珊瑚种群8，12．最近，石珊瑚组织损失病(SCTLD)威胁着加勒比海周围许多其他造礁珊瑚的生存10，13，14．虽然SCTLD的病因尚不清楚，但抗生素的应用在菌落规模上是有效的15，16，17，18，19，20.，但无法跟上持续感染和再感染的珊瑚礁规模。珊瑚数量显著下降和局部灭绝导致全球加大了恢复退化热带珊瑚礁的努力，这往往涉及珊瑚苗圃21．

珊瑚苗圃支持快速生长物种的无性繁殖，如加勒比鹿角珊瑚，a . cervicornis并提供碎片以补充珊瑚失水区21，22，23．多基因型饲养在托儿所，以支持适应未来的环境条件23．然而，海洋托儿所饲养的珊瑚，就像野生珊瑚一样，容易爆发疾病24．在一个物种内，菌落对疾病的先天免疫力各不相同25然而，人们对这种可变性在人群内和人群间疾病传播中的作用知之甚少。

为了评估基因型多样性如何影响疾病的传播，我们在濒危珊瑚物种的珊瑚苗圃中追踪了白带病的爆发，一个．cervicornis12超过5个月。我们监测了附着在支撑结构(框架)上的650个珊瑚碎片。一些框架包含来自单个供体群体(单一基因型)的珊瑚碎片，而其他框架由来自多个供体群体的珊瑚碎片组成，代表不同的基因型(混合基因型)。26，27．我们追踪了5个多月的所有框架中每个片段上的疾病存在情况，以及框架上与多样性相关的疾病患病率(混合与单一基因型)。我们发现，在这个濒临灭绝的苗木种群中，框架基因型的混合导致了传染性白带病的抗性答:cervicornis．

结果

疾病流行率在7月中旬(7月19日)达到峰值，与水温升高一致，并在2019年9月底下降(图19)。1，S1)．

图1
图1

随着时间的推移，托儿所中分配给每个健康类别的碎片比例的均值±标准误差(SE)。图片显示了每一类别珊瑚的外观，健康的珊瑚没有明显的疾病迹象(用橙色标出，与橙色点对应);病变珊瑚显示组织脱落，病变后留下明亮的白色骨架(灰色轮廓与灰点对应);死亡的珊瑚显示出明亮的白色骨架，没有组织，生长着藻类草皮(与黑点对应的黑色轮廓)。

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在7月(7月19日)的高峰期，排列在只有一种基因型的框架上的珊瑚群明显比混合基因型的框架更容易患病(7月19日，单基因型的平均±标准误差为43%±0.06，而混合基因型为26%±0.07%)。2a，型号1，日期2×多样性，p < 0.001S2)．完全菌落死亡率相对较低(小于25%)，尽管所有患病菌落都表现出大量的部分死亡率。

图2
图2

疾病流行率()的平均值±标准误差(SE)一个)所有框架，并按基因型(b)“g”(c)“y”，(d)“r”，(e)“b”，(f)“K”。点颜色代表混合(紫色)和单一(黄色)基因型处理。基因型G (plotb)和基因型Y、R和B(图c- - - - - -e)分别为抗性基因型和脆弱基因型。基因型K (plotf)是非常脆弱的。

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此外，当我们仅比较在单一和混合框架上发现的基因型时，我们的结果揭示了疾病易感性的种内差异(图2)。2b-f)。对于一种基因型(G)，无论珊瑚是在混合基因型还是自身基因型的框架上，疾病患病率都很低(< 20%)，这表明该基因型具有抗病性(图2)。2a，模型2，多样性×基因型×日期2p < 0.001，表S2)．相反，易感基因型菌落(R,Y,B)在单一基因型框架上患病或死亡的可能性是混合基因型框架上的1.5 - 2倍(图2)。2罪犯,S3)．一个基因型似乎是高度脆弱的，无论它是在哪个框架类型(图。2f，基因型K)，因为它在单基因型和混合基因型框架上都表现出较高的患病率。

讨论

我们记录了与单一基因型相比，混合基因型框架的患病率较低。我们认为，在混合和单一基因型框架上，种内易感性的差异导致了这些紧急人群和框架水平的疾病进展差异。因为答:cervicornis易感性不同24以及对WBD的抗性25，28，29因此，宿主基因型、免疫学或微生物变异可能导致疾病易感性的差异，并有助于我们观察到的种群水平的抗病性。例如，抗性基因型(G)先前已被证明与一种不同的显性微生物变体有关(CandidatusAquarickettsia）比敏感基因型(如R和Y)30.，这可能在易感性的差异中发挥作用，正如加勒比其他地区所表明的那样31．事实上，我们的研究结果表明，新出现的群体抗病性是由群体抗病性和易感性的差异介导的，而这可能反过来是由关键微生物介导的。

重要的是，这些结果表明，在混合框架下，疾病传播降低，减少了疾病向高度脆弱个体的传播。因此，一些易受疾病影响的珊瑚可以被抗性基因型“拯救”(即，图。2C-e)，可能是因为耐药基因型防止了疾病在片段之间的传播。事实上，当抗性基因型(G)出现在一个框架中时，当抗性基因型不存在时，疾病患病率(在一个基因型内和整个框架内)往往低于其他混合基因型框架(图2)。2而且S2)．缺乏已知耐药基因型(4个混合基因型框架)或含有高易感基因型(K)的框架往往具有较高的疾病患病率，这表明(a)耐药性很少，(b)可能存在一个阈值，在该阈值中，存在一种耐药基因型不再抵抗疾病，和/或c)存在一些可放大疾病的高易感基因型。这些假设需要进一步验证。一般来说，在混合框架上，来自抗性基因型的珊瑚拯救了易感染疾病的基因型。保持人群中的易感基因型可以使基因库中保留更广泛的基因型，从而增加对疾病以外不断变化的环境条件的适应恢复力23．我们的研究结果也强调了这一点，因为抗病是一种神秘而罕见的性状32，在托儿所中增加基因型多样性增加稀释疾病的可能性33．

这一发现对野生珊瑚种群具有重要意义，特别是那些已经表现出低数量的群落和遗传变异减少的珊瑚种群34．具体而言，我们的研究结果表明，随着基因型多样性的丧失和耐药基因型稀释作用的可能性降低，整个加勒比地区的疾病流行率将会增加。残余种群虽然由抗病基因型组成，但可能缺乏支持产生适应和进化的选择过程所必需的全部遗传性状23．

我们的工作补充了文献，表明多样性可以通过将病原体分布到不可存活的宿主中来减少传染病的传播，即稀释效应35．遗传多样性低与疾病流行率增加有关35，36，37，38对于哺乳动物39，40、青蛙41,无脊椎动物7，42，和植物6，43，44．我们认为多样性和疾病之间的联系比我们以前意识到的更加普遍。在这里，我们强调了海洋系统中的这种关系:传染病和濒危珊瑚的基因型混合物之间的关系。支持我们发现的生态和进化现象答:cervicornis具有更广泛的保护后果，我们建议在恢复珊瑚和其他海洋物种时，特别是那些易受传染病影响的物种，纳入不同基因型的聚集。

方法

幼儿园设计

我们监测了开曼群岛小开曼岛中加勒比海洋研究所(CCMI)近海海洋苗圃中的650只珊瑚。苗圃在18米深的地方。这个苗圃为附近的珊瑚礁提供珊瑚群落，与加勒比海和世界各地的许多其他珊瑚苗圃相似21，22，23，45．一般来说，苗圃依赖于重复分裂珊瑚，从一个单一的供体群体中创造出大量的克隆体。然后，产生的珊瑚碎片悬浮在苗圃内结构的水柱中，在放置在珊瑚礁上之前，让其生长，这一过程被称为外植21．CCMI苗圃中的珊瑚使用单丝线连接到PVC框架上，并用卷曲固定。框架宽3米，高1.5米。这些建筑是用绑在煤渣块上的绳子固定的，用部分装满压缩空气的空塑料罐支撑着。帧与其他帧之间的距离约为1-3米(见图。S2)．

由于基因型多样性对于群体适应不断变化的环境至关重要，因此在苗圃中种植多种基因型(即来自多个供体群体的片段)，以增强外植群体的遗传多样性，提高当地群体的抵御能力。CCMI苗圃成立于2012年，从小开曼岛周围三个地点的五个菌落中收集了五个片段。采集后，通过基因分型测序(GBS)确定供体菌落具有遗传差异，以产生单核苷酸多态性(SNPs)。26．这些菌落用颜色编码，并用缩写表示:蓝色(B)，绿色(G)，红色(R)，黄色(Y)，黑色(K)。这些菌落在生长过程中也表现出基因型变异27微生物群落(来自G、Y和R基因型的菌落)30.．2016年，我们从9个地点的孤立菌落中收集了另外9个碎片。我们认为这些片段不同的基因型基于菌落分离和高度的小尺度遗传多样性报告答:cervicornis23，26，46．因此，该苗圃在发病时被认为包含14种基因型(见表)S1名字和基因型在哪个框架上)。

我们将片段排列在混合(n = 13)或单一基因型框架(n = 17)上，每个片段之间间隔约30厘米。每个框架包含5-50个珊瑚(图。S2、表S1)．每个单一基因型框架都由原始5个基因型中的一个进行填充。混合帧每帧包含3-8个基因型。悬挂在框架上的单个菌落的基因型身份被彩色珠子追踪，这些珠子螺纹在用于固定框架上片段的卷曲上方的单丝上。S2、表S1)．在这里，为了简单起见，我们使用了颜色的缩写。

疾病监测

从2019年春天(5月)开始，在对苗圃进行例行清洁时，潜水员注意到沿着疾病前沿的组织脱落，这些组织向碎片的尖端发展。该疾病的症状为急性组织损失综合征，符合白带病I型和快速组织损失病的描述4从视觉上看，这两种疾病都被确定为白带病47或12月。我们还恢复了假定的WBD病原体弧菌harveyii在病变组织中48(Schul et al. in review)。此前，这种疾病曾导致极度濒危的珊瑚大量死亡，答:cervicornis．WBD具有高度传染性，可通过珊瑚-珊瑚接触以及水传播传播11．

我们于2019年5月17日开始监测该疾病，并于2019年9月29日停止监测。每周，潜水员都会监测保育室里的每个碎片，用视觉评估它们的健康状况。不同碎片的健康状况被记录为:健康(没有明显的疾病)，患病(通过脱落的组织确定存在疾病)，或死亡(明亮的白色骨架，没有组织，存在小丝状草皮藻类，图。1)．当我们观察到病变碎片的恢复，特征是组织生长在死亡的骨骼上时，菌落的状态被修改为“健康”。在整个监测期间，苗圃中70%的蜂群(453个)在两次或两次以上的采样事件中显示出疾病迹象。珊瑚的完全死亡率相对较低(低于25%)，但所有患病珊瑚的部分死亡率都很高。近500个蜂群(超过75%的苗圃)恢复或不受疾病影响。

分析

为了对苗圃中所有片段中包含混合基因型和单一基因型的框架的疾病流行率进行建模，我们使用glmTMBB在R (v 4.0.0)中计算的混合效应二项式模型49，以及汽车套餐50患病珊瑚的数量与未患病(健康和死亡)珊瑚的数量。该模型将多样性作为一个固定效应(单一或混合基因型框架上的菌落)，日期(采样日期)作为二次固定效应来捕捉疾病的动态，并对采样框架进行随机截距(模型1:日期2×多样性+密度+(1|帧))，以考虑帧上碎片的重复采样，以及与帧相关的效果。我们还包括了一个相互作用项，期望患病珊瑚的数量随着时间的推移而变化，这将取决于珊瑚是单帧还是混合帧。我们将框架上的珊瑚密度作为固定效果。通过模拟和检验二项式模型残差的离群值(DHARMa包)来检验假设。

为了了解基因型和多样性的相互作用，我们还对单一和混合框架上出现的五个基因型的数据应用了一个模型。该模型将多样性作为固定效应(单一vs混合);基因型作为一个固定效应(B, R, K, Y, G)，一个二次固定效应的日期(模型2:日期2×基因型×多样性+密度+(1|帧))，并对所采样的帧进行随机截距，再次考虑帧的重复采样。我们还将密度作为固定效应。