遗传多样性丧失与隔离加剧：濒危两栖类22年遗传监测揭示种群危机

本刊推荐：为探究人类活动影响下濒危物种遗传多样性时序变化，研究人员对瑞士鲁斯河谷濒危物种纳特杰克蟾蜍（Epidalea calamita）开展跨越22年（1998-2020）的微卫星遗传监测。研究发现等位基因丰富度（Ar）下降19.9%，期望杂合度（He）降低25.3%，种群间分化指数（Fst）显著上升，瓶颈种群数量增加，表明遗传多样性丧失与隔离加剧同步发生，为两栖类保护遗传学提供了关键时序证据。

　　

在生物多样性保护实践中，遗传多样性的保护远滞后于物种和生态系统层面的保护，尽管科学界早在上世纪就认识到遗传多样性对物种适应性和进化潜力的关键作用。这种忽视令人担忧，因为遗传多样性的丧失会导致近交衰退和进化潜力下降，使种群更容易受到环境压力（如污染物、病原体和极端天气事件）的威胁。以两栖动物为例，主要组织相容性复合体（MHC）的遗传多样性甚至能预测疾病暴发的易感性。

栖息地丧失、退化和破碎化会对野生种群的遗传变异产生负面影响。当栖息地被分割或改造时，种群规模变小，种群间扩散减少，导致基因流减弱和遗传漂变加剧，从而引发遗传多样性丧失。同时，种群间的遗传分化预计会增强。受威胁物种，尤其是在人类改造的景观中生存的物种，通常具有较低的种群内遗传变异和较高的种群间遗传分化。然而，关于人类活动如何随时间影响遗传多样性变化的实证研究仍然十分有限，部分原因是这类研究需要长期监测和数据积累。

为了解决这一知识空白，由José F. Meléndez-Cal-y-Mayor、W. Chris Funk、Petra Ramseier和Benedikt R. Schmidt组成的研究团队，对瑞士鲁斯河谷的纳特杰克蟾蜍（Epidalea calamita）种群开展了长达22年的遗传监测研究。这种蟾蜍在瑞士被列为濒危物种，其自然栖息地洪泛区已消失，现在主要依赖采石场和砾石坑作为人工替代栖息地。研究人员假设，由于这段时间内人类活动导致的栖息地改造加剧，2020年的遗传多样性将低于1998年。他们预测，适宜栖息地的减少会导致迁移减少、种群间遗传分化增加，以及2020年更多的瓶颈事件。

本研究主要采用了微卫星基因分型技术，对1998年和2020年采集的样本进行基因型分析。研究人员使用了11个微卫星位点，通过PCR扩增和毛细管电泳技术获取基因型数据。样本来源包括瑞士鲁斯河谷10个地点的种群，其中4个地点在两个时间点均有采样。数据分析包括遗传多样性参数计算（观察杂合度H_o、期望杂合度H_e、等位基因丰富度A_r）、种群分化指数（F_st）、近交系数（F_is）和有效种群大小（N_e）估计。同时采用BOTTLENECK软件检测遗传瓶颈事件，使用STRUCTURE程序分析空间种群结构，并通过Mantel检验评估隔离距离（IBD）效应。

遗传多样性下降与瓶颈事件增加

研究发现，所有遗传多样性指标均显示1998年的数值显著高于2020年。期望杂合度（H_e）从0.442降至0.389，等位基因丰富度（A_r）从2.80降至2.225，总等位基因数（A）从34.5降至25.38。与此同时，种群间分化指数（F_st）从0.184升至0.277，表明遗传分化加剧。瓶颈分析显示，1998年有2个种群检测到瓶颈事件，而2020年增加至5个种群。

空间遗传结构变化

隔离距离（IBD）分析显示，1998年和2020年均存在显著的空间遗传隔离模式（Mantel r分别为0.738和0.487）。STRUCTURE分析和主成分分析（PCA）表明，种群在1998年和2020年均呈现四个空间聚类，沿南北梯度分布。2020年的种群间遗传分化明显加剧，分子方差分析（AMOVA）显示，种群间方差占比从1998年的约10%增加至2020年的约33%。

扩散模式变化

通过第一代迁移模型和分配测试模型，研究发现1998年识别出2个第一代扩散者和34个潜在扩散者，而2020年仅识别出3个第一代扩散者和3个潜在扩散者。这表明种群间的个体迁移和基因流在22年间显著减少，进一步加剧了种群隔离。

研究结论表明，纳特杰克蟾蜍种群在22年（约7个世代）间经历了显著的遗传多样性丧失和空间遗传结构加剧。这种变化可能源于栖息地数量和质量的双重下降，导致种群规模减小和基因流减少，进而加剧遗传漂变和瓶颈效应。

讨论部分强调，本研究记录的遗传多样性丧失程度（等位基因丰富度下降19.9%，期望杂合度下降25.3%）比全球平均水平（27个世代后等位基因丰富度下降6.5%，期望杂合度下降5.4%）更为严重。这种快速的遗传多样性丧失可能对个体适应性和种群生存力产生负面影响，正如先前实验研究表明，遗传多样性较低的纳特杰克蟾蜍种群在蝌蚪生长率和变态成功率方面均表现较差，特别是在压力条件下（如存在种间竞争）。

研究结果对保护实践具有重要启示。建议通过构建新的繁殖池塘来增加种群网络密度和幼体补充，从而促进基因流动。在战略位置创建池塘可以最大化这种效益。此外，可能需要考虑 translocation（易地保护）来增加遗传多样性，但这需要明确遗传多样性改善目标，并权衡远交衰退、适应潜力和病原体引入风险。

本研究证明了在较短时间内遗传多样性可能快速丧失，空间遗传结构可能加剧，强调需要对两栖动物和其他关注物种进行遗传多样性监测，因为遗传多样性丧失可能是野生种群的隐性威胁，无法通过当前监测项目检测。然而，监测不应单独进行，而需要与保护管理相结合，开发和测试管理自然种群遗传多样性的方法至关重要。

该研究发表在《Conservation Genetics》期刊，为理解人类活动影响下濒危物种遗传动态提供了重要时序证据，也为制定有效的遗传保护策略提供了科学依据。