浙江大学方盛国团队在PNAS发文揭示大熊猫隔离种群的进化历史并提出物种保护新策略
来源：浙江大学 时间：2024-10-21 11:57:35
全新世以来，尤其是工业革命以来，资源的过度开发利用和环境污染等人类活动，导致野生动物栖息地严重丧失和破碎化，形成了大量隔离小种群，致使物种濒临灭绝的边缘。因此，揭示物种破碎隔离种群的历史，阐明野生和圈养小种群的遗传多样性、进化潜力以及环境适应的遗传基础，提出物种的科学保护策略，具有重要的生态保护意义。
2024年8月26日，浙江大学方盛国教授课题组联合华大生命科学研究院等单位，在美国科学院院刊《PNAS》发表了题为“Large-scale genome sequencing of giant pandas improves the understanding of population structure and future conservation initiatives”的研究论文，并入选“In This Issue”亮点文章。该研究基于大规模高深度全基因组测序数据，首次系统深入地对大熊猫进行了保护基因组学研究，揭示了破碎隔离种群的进化历史，阐明了种群的遗传结构、遗传多样性和遗传负荷等遗传与进化特征，并通过计算模拟，提出了物种科学保护的新策略。
图1：本研究用到的大熊猫采样信息
1、重建了现生大熊猫野生隔离种群的进化历史
大熊猫具有2个亚种（秦岭亚种和四川亚种），4个独立的遗传分支（秦岭种群-QLI、岷山种群-MSH、凉山种群-LSH、邛崃-大相岭-小相岭种群-QX）。其中，亚种之间的分化发生在距今1.20-0.70万年前。而在四川亚种内部，LSH与其它种群之间的隔离分化时间最早，发生在距今1.10-0.62万年前；MSH与QX之间的隔离分化时间，发生在距今0.60-0.35万年前，且在整个隔离分化过程中，伴随着多次基因交流事件，特别是秦岭个体迁入岷山种群，凉山个体迁入邛崃-大相岭-小相岭种群，从而使遗传分支种群之间在不完全中断基因交流的同时，又能在独立的地理单元进行独自的隔离进化，丰富物种的基因多样性。
图2：现存野生大熊猫的近期种群历史
2、首次在岷山种群内部，发现了亚群的显著遗传分化
在距今0.30-0.20
年前，岷山种群内部出现了显著的隔离分化，并形成了3个亚群（MSH1、MSH2和MSH3），推断可能源于地理屏障和人为干扰：
（1）亚群之间被夺补河和涪江分隔。江河两岸陡峭的山壁，使岷山种群内部形成了地理隔离亚群；
（2）亚群之间被人类聚居分隔。涪江自秦代以来一直是我国西南地区的主要水上通道，许多古镇沿河建立并不断发展。涪江及夺补河两岸从古至今的人类活动，使岷山种群内部形成了地理隔离亚群。
总之，岷山独立亚群的发现，为大熊猫未来保护单元的重新划分，以及保护策略与计划的制定，提供了科学依据。
图3：野生大熊猫种群遗传结构
3、大熊猫的遗传多样性、近交和遗传负荷
通过对全基因组长纯合片段、核苷酸多样性的计算研究，发现大熊猫整体的近交和遗传多样性丧失问题并不严重，在野生动物领域处于中等水平，远远低于东北虎、华南虎等物种。但是，不同种群的近交程度却存在差异，其中秦岭种群的近交和有害遗传突变的积累最为严重，凉山种群次之。同时，经对中国大熊猫保护研究中心和秦岭大熊猫研究中心的7个主要繁育谱系的圈养大熊猫样本进行分析研究后，发现圈养大熊猫的近交水平和遗传负荷均低于野生大熊猫，表明科学的圈养谱系管理措施，可以有效地降低近交，保护圈养个体良好的遗传进化潜力。
图4：野生和圈养大熊猫种群近交水平FROH
4、大熊猫秦岭种群和凉山种群亟需关注
（1）在整个全新世，秦岭大熊猫经历了持续性的种群衰退历史，推测一方面可能是由于秦岭地区不仅是中华文化的发祥地，而且近千年来，人口密集，战争频繁，严重影响了大熊猫的栖息繁衍。另一方面，主食竹子北界南移，再加之持续近交，导致基因组不断纯合化，种群遗传多样性日渐降低，遗传负荷逐渐增高，强有害突变造成幼崽早期夭折，弱有害突变纯合化积累，导致种群环境适合度下降，从而导致持续性的种群衰退。因此，在秦岭山系适宜大熊猫生存的栖息地显著低于其它山系（第四次全国大熊猫野外种群普查）的情况下，亟需关注秦岭大熊猫的保护工程。
（2）凉山大熊猫也是一个相对孤立的古老种群，有效种群数量较小，遗传多样性丧失、近交和遗传负荷积累仅次于秦岭种群。在上世纪50-90年代，凉山种群还经历了一个快速减小的特殊时期。尽管近20年来，我国对凉山种群实施了有效的保护措施，但第三次和第四次全国大熊猫普查结果显示，凉山种群的数量增长程度和栖息地人为干扰的减少程度都是最低的。目前凉山种群在地理上被隔离成了5个不相连的小种群，且2个最大的隔离种群离开发用地较近，另外2个小的隔离种群处于孤立状态，很难与邻近的大种群连通产生足够的基因交流。因此，在目前凉山大熊猫栖息地尚未规划到大熊猫国家公园建设中去之际，凉山大熊猫的保护工程也面临诸多困境，未来种群的近交风险和灭绝的可能性，亟需受到特别关注。
综上，对于野外大熊猫的保护，应充分认识到秦岭大熊猫种群和凉山大熊猫种群受到生存威胁的程度，仍然是“濒危级”，亟需学者、管理者、政府和国际组织的特别关注，万万不可将所有的大熊猫野生种群视为一个整体进行降级对待。
5、遗传拯救策略
圈养大熊猫繁育后代的野化放归，是大熊猫保护工程的遗传拯救策略之一。然而，关于遗传拯救工程中一个令人担忧的问题，是放归个体很可能会携带新的有害突变基因而加剧小种群繁育后代的遗传负荷，尤其是长期分化的种群之间再次恢复基因流，很可能会因为远交衰退而加速小种群的灭绝。
本研究经过模拟评估后认为，放归本山系圈养繁育的后代个体，是小种群遗传拯救的最优先策略，因为它可以避免不同山系种群环境适应性带来的风险，也能最大限度地降低后代个体的遗传负荷。因此，对于秦岭、凉山和岷山山系北部的小种群，野化放归的个体，应该选择各自山系的圈养繁育后代，或野外救助的大熊猫；对于大相岭和小相岭这2个山系，由于其与邛崃山系是同为一个遗传大分支，所以可以从邛崃山系圈养大熊猫的繁育个体中，挑选遗传背景相似的个体进行放归。同时，在野化培训之前，对放归个体未来繁育后代的遗传模拟预测，也将是放归工程的部分工作要求。再则，放归后对后代进行基因组和表型各项指标的监测，可以为野化放归提供最具价值的科学数据，并通过不断修正和完善放归计划，构建大熊猫野化放归的完整体系。
图5：大熊猫种群的遗传负荷与野化放归模拟
总的来说，本研究通过对覆盖现存野生大熊猫种群规模近30%的个体进行高质量全基因组重测序和群体基因组学研究，首次构建了迄今为止最精细的大熊猫遗传变异图谱、揭示了大熊猫六大山系野生种群的遗传结构、发现了显著遗传分化的新亚群结构、模拟了人工圈养繁育子代放归野外的遗传风险，为主管部门制定野生大熊猫的保护策略与计划，提供了极具参考价值的物种保护新策略。
浙江大学生命科学学院兰天明博士、杨尚辰和张一博士研究生，以及深圳华大生命科学研究院李海盟博士，中国大熊猫保护研究中心李仁贵高级工程师为本文的共同第一作者。丹麦哥本哈根大学Karsten Kristiansen教授、浙江大学生命科学学院万秋红副教授、深圳华大生命科学研究院刘欢研究员、浙江大学生命科学学院方盛国教授为论文的共同通信作者。
原文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406343121
