近交在保护生物学中的多重含义与保护意义解析

《BMC Biology》：Q&A: inbreeding and its implications for conservation

本文针对保护生物学中"近交"概念存在多重定义导致混淆的问题，系统梳理了近交的三种主要解释（非随机交配、种群分化导致的近交、个体近交），探讨了近交衰退与适应性的复杂关系，介绍了FIS、FROH等基因组近交度量方法，并指出表观遗传机制可能参与近交衰退，为小种群保护提供了重要理论框架。

　　

在当今生物多样性危机背景下，越来越多的物种被限制在日益缩小和孤立的种群中。近交衰退在小种群的衰退、濒危和灭绝过程中扮演着重要角色，因而近交在保护生物学中受到了广泛关注。然而，"近交"这一术语在不同领域使用时含义各异，这种不一致性造成了误解，使解释复杂化，阻碍了研究间的比较，并影响了研究结果的有效沟通。

Parreira等人发表在《BMC Biology》的这篇问答式综述旨在澄清近交的概念基础，展示现代估计方法，并讨论其意义及其与经典定义的关系。研究人员指出，当物种经历快速或持续的种群衰退时，它们就成为保护关注的对象。随着种群缩小，它们变得容易受到一系列随机威胁的影响，包括环境、人口和遗传威胁——这一现象被描述为小种群范式。近交是一种遗传灭绝因素，它广泛指相关个体（即具有共同祖先的个体）的交配，而在小种群中，与亲属交配的可能性更大。

为了系统解决近交概念混淆的问题，研究者聚焦于保护中最常用的三种近交解释：作为非随机交配的近交、由于种群分化导致的近交以及个体近交（传统上的谱系近交）。近交概念最初是为了描述由于近亲交配而导致的基因型频率变化——即比随机选择的两个个体更密切相关的个体间的交配。在其原始表述中，近交通过F_IS系数进行量化，该系数测量了种群内与哈迪-温伯格预期的偏差。后来，这一概念被扩展到包括由于种群结构导致的等位基因相关性——即由于种群分化导致的近交。在这种背景下，近交源于种群分化：当一个种群被分成更小的种群（繁殖群）时，同一繁殖群内的个体平均而言比其他繁殖群的个体在遗传上更相似。因此，繁殖群内的随机交配通常发生在遗传相似的个体之间。这种更广泛的解释由F统计框架捕捉，其中F_ST和F_IT补充了F_IS来描述不同层次水平的遗传变异。最后一个定义——个体近交——估计了身份同源（IBD）基因组的比例。在这里，近交反映了一个个体的两个同源基因拷贝来自同一祖先的可能性。

将非随机交配的偏离与IBD混淆仍然是理论和应用保护遗传学中误解的主要来源之一。这对如何评估和管理近交具有重要影响；最值得注意的是，不同的近交度量方法不能直接比较，而且近交并不总是种群衰退的结果。

在植物和动物物种中，近交 consistently 被证明会降低后代生存和繁殖成功率。这种关系——近交增加和适应性降低——被称为近交衰退，反映了纯合性增加带来的负面适应性后果。尽管近交衰退在受控育种实验中有充分记录，但在野生种群中直接定量地将近交作为适应性降低的原因仍然是一个重大挑战。这一限制在于测量野生种群适应性的复杂性。首先，适应性本身难以定义：在短寿命物种或实验环境中，它通常指个体的生存、终生繁殖成功率或可存活后代，但在野生种群中，适应性更常指幼体生存、交配成功率或加入繁殖种群的比例。这反映了野生环境中的实际限制，因为测量适应性需要持续投入资源收集长期数据。

评估近交衰退如何从遗传数据中评估依赖于识别和量化可能降低适应性的遗传变异。但近交衰退的遗传基础在很大程度上是未知的，因为所涉及的特定基因和通路尚未被识别，而且这些可能因物种和种群而异。最近的基因组方法侧重于识别有害突变，即预测会破坏基因功能的变异。通过将这些突变的假定有害效应在个体基因组上求和，可以近似估计遗传负荷，定义为有害突变对适应性的累积影响。尽管遗传负荷提供了与近交衰退的概念联系，但估计其在自然种群中的真实影响仍然具有挑战性，因为负荷的积累取决于特定的种群历史和地方选择压力。一个补充策略是将基因组近交度量（例如F_ROH）与遗传负荷估计和/或适应性相关代理指标相关联。理论上，短纯合性片段（ROH）反映了古老共享祖先的片段。相比之下，在较长的ROH中（经历较少代的重组），纯化选择有较少时间去除高度有害的突变。因此，这些较长的片段往往与适应性下降更密切相关。

高水平的近交已被证明在野生和实验室环境中会降低适应性。尽管如此，一些种群高度近交却没有显示出近交衰退的迹象（例如，小头鼠海豚、查塔姆岛黑鸲和岛狐等）。这种对种群衰退的明显恢复力可能源于选择和过去种群历史之间复杂的相互作用。面对种群衰退，有害变异的负担受祖先种群大小的影响。祖先大种群以杂合状态携带一定数量的有害突变作为常备变异。种群崩溃后，这种隐藏负荷通过纯合性增加而暴露，导致近交衰退。相比之下，长期小种群中的有害突变往往更频繁地变为纯合。这种纯合性增加揭示了它们对适应性的有害影响，使自然选择能够更有效地对抗它们，特别是对于高度有害的突变。尽管在长期小种群中存在清除，有害突变仍会随时间积累，特别是轻度有害的突变，因为选择在小种群中效果较差。因此，对近交衰退的明显恢复力取决于有害变异清除和积累之间的平衡。

近交度量方法最终与IBD相关，但并不直接测量IBD。近交系数计算的是相对于参考基础种群的IBD概率增加。这个参考种群总是任意的。不同的近交估计在它们使用什么作为IBD概率增加的基线种群方面有所不同。例如，当从谱系测量时，近交是相对于一个假定为非近交（即非IBD）的创始种群测量的。当从全基因组数据计算时，测量近交所依据的任意基线可以由不同方法给出。在(i)作为随机交配偏离度量的近交中，基线是假设随机交配种群中的预期杂合性；在(ii)作为个体近进度量的近交中，基线是相对于一个时间限制，该限制为 coalescence（等位基因溯祖）深度设定了一个背景值，超过此深度的基因被假定为非IBD。因此，近交是一个相对度量，由IBD概率的增加给出，但它并不等同于IBD。

量化近交一直是许多保护遗传学研究的关键目标。这个目标不仅仅是衡量近交水平，最终是为了测量预期因近交衰退而下降的适应性。在实践中，近交可以使用来自谱系的经验数据、跨越多个个体的几百个遗传标记或覆盖整个基因组的基因组数据来量化。基因组F估计器是遗传研究中的关键工具，根据其计算方式可分为两类。第一类利用单核苷酸多态性（SNP）之间的相关性来估计近交水平。F_UNI基于配子结合的相关性，并将观察到的纯合性与哈迪-温伯格平衡下的预期纯合性进行比较，使用参考种群的等位基因频率。F_GRM也基于全基因组SNP数据——源自基因组关系矩阵（GRM）——虽然它是一个F系数，但它实际上估计的是亲缘关系（个体间的IBD共享）。第二类近交系数基于识别沿基因组的纯合性。它包括F_HOM，一个基于预期和观察到的个体杂合性（或纯合性）的估计器，是Wright的F_IS指数的基因组等效。F_ROH识别沿基因组的ROH，旨在反映个体内的IBD共享量。最后，F_PED，等同于F_ROH但从谱系数据测量，通过追踪个体内两个基因拷贝通过其父母到共同祖先的路径来计算，以估计父母之间共享祖先的比例。

不同近交系数之间的比较已经基于理论属性进行了量化，例如偏差和标准误差，不同近交系数与基于谱系的估计的比较，或者评估哪些估计显示出与适应性的最高相关性。然而，关于哪个估计器最好尚无普遍共识。需要注意的是，不同的F估计器在它们强调近交的哪些方面也有所不同，因此不能直接比较：F_HOM和F_UNI测量作为非随机交配的近交，而F_PED和F_ROH测量作为遗传漂变结果的近交。

近交是生活史、行为和人口因素的结果，例如种群结构或过去结构和规模的波动。因此，没有适当背景的近交度量可能会产生误导或毫无意义。例如，偏离随机交配可能是由导致整体杂合性缺陷（F_IS > 0）的隐藏种群结构引起的，而这种偏离的程度取决于诸如繁殖群数量、分化时间和基因流等因素。另一方面，小种群繁殖导致的等位基因频率随机波动可能导致杂合子过量。这种过量在由于两性之间的二项抽样误差而导致高性别偏见的物种中尤其预期。社会结构也影响近交。考虑划分为繁殖群的理论和模拟工作表明，社会结构可能导致杂合子过量，而无需明确的近交避免策略。F_IS预期为负，与繁殖和扩散行为无关，并且当群体规模小、一雄多雌程度高且父母来源不同时预期最大化。

F近交系数仅仅量化近交，但并不揭示其根本原因。然而，许多研究讨论了近交避免的适应价值，并且许多行为机制被解释为最小化近交的策略。反对与亲属交配的偏向、性别偏向扩散或交配后机制，如精子拒绝、精子选择和偏向生育力，通常被认为是近交避免策略。它们在一夫一妻制物种、K选择物种（后代数量少）和小种群物种中似乎更为明显，在这些物种中亲属相遇频繁。尽管有证据表明动物确实可能通过表型匹配、早期生活中的熟悉性或嗅觉受体基因来识别亲属，但这仍然存在争议。此外，一些人认为近交避免理论忽视了近交耐受性或偏好，这在许多物种中有充分记录。这些研究强调了近交的潜在好处，例如父母传播其基因的能力增加。有人认为这些好处超过了近交的成本，特别是当血缘交配发生在非兄弟姐妹的亲属之间时。假定的近交避免机制可能影响遗传结构，但仅凭F系数无法揭示它们的存在。

在当今生物多样性危机中，更多的物种被限制在日益缩小和孤立的种群中。因此，量化近交及其对适应性的影响在保护中具有高度优先性。然而，对近交和适应性的机制性理解仍然是一个挑战。这是由于几个原因。大多数受威胁物种缺乏高质量的参考基因组，限制了我们评估ROH和描述跨物种总体模式的能力。更重要的是，微卫星仍然是保护遗传学中最常用的标记，它可以测量偏离随机交配或种群分化，但不能测量个体近交。识别有害变异的当前方法依赖于许多假设，很少经过验证，并且通常侧重于基因组的蛋白质编码区域。机器学习正在提高我们评估突变功能后果的能力，例如通过预测调控区域和3D蛋白质结构来估计突变对适应性的功能影响。然而，缺乏来自非模式物种的足够训练数据以及在现实环境中验证预测的挑战仍然是重大障碍。整合来自牲畜、植物和人类种群的研究见解，其中近交研究发展良好，可以进一步增强我们对野生种群近交衰退遗传学的理解。

使用遗传数据量化近交衰退超越了有害突变，涵盖了基因组的其他维度，例如表观遗传修饰。例如，在植物Scabiosa columbaria中，近交个体表现出比远交个体更高水平的DNA甲基化。值得注意的是，减少甲基化的处理显著减轻了近交衰退。这些发现挑战了传统观点，即近交衰退仅由有害突变的积累驱动，突出了表观遗传机制的潜在作用。

最后，遗传学只是理解近交及其对适应性影响的一个组成部分。完全理解近交的保护意义取决于许多我们无法从基因组测量的因素：动物行为、环境随机性、密度依赖性和资源可用性都可以影响近交发生的程度、近交衰退如何表现以及种群恢复的速度。未来整合人口、（表观）遗传、生态和环境数据的工作将有助于更好地理解近交及其在保护中的作用。

主要技术方法

本研究主要基于文献综述和理论分析，系统梳理了近交在保护生物学中的概念、度量方法及其影响。关键技术方法包括：利用基因组数据计算各种近交系数（如F_IS, F_ROH, F_GRM等），通过识别纯合性片段（ROH）评估个体近交程度，基于单核苷酸多态性（SNP）相关性估计近交水平，以及使用基因组关系矩阵（GRM）分析亲缘关系。研究还涉及对野生种群长期监测数据的分析，以关联近交与适应性代理指标，并探讨了利用机器学习预测突变功能影响的前沿方法。

What is inbreeding, and why does it matter in conservation?

近交广泛指具有共同祖先的个体之间的交配。当物种经历快速或持续的种群衰退时，它们成为保护关注的对象。小种群更容易发生近亲交配，可能导致近交衰退——后代适应性降低，从而减少种群适应性、生存力，并增加灭绝风险。因此，理解濒危种群中的近交程度对于告知保护行动至关重要。

So, what does inbreeding mean?

近交概念存在三种主要解释：作为非随机交配的近交（由F_IS量化）、由于种群分化导致的近交（由F统计框架描述）、以及个体近交（估计身份同源（IBD）基因组的比例）。将非随机交配的偏离与IBD混淆是保护遗传学中误解的主要来源。

Can inbreeding be directly linked to fitness effects?

近交 consistently 被证明会降低后代生存和繁殖成功率（近交衰退）。然而，在野生种群中直接定量链接近交与适应性降低具有挑战性，因为适应性难以定义和测量，且受环境等多种因素影响。研究通常使用适应性相关代理指标（如幼体生存率）进行评估。

How can we assess inbreeding depression from genetic data?

评估近交衰退依赖于识别有害突变并估计遗传负荷（有害突变对适应性的累积影响）。基因组方法将如F_ROH等近交度量与遗传负荷或适应性代理指标相关联。理论上，长ROH片段与适应性下降更相关，因为它们包含更多未被清除的有害突变。

Are there exceptions to general trends about inbreeding and fitness?

一些高度近交的种群（如小头鼠海豚）未显示近交衰退迹象。这种恢复力源于过去种群历史与选择的相互作用：长期小种群更有效地清除了高度有害突变。然而，它们仍积累轻度有害突变，且遗传多样性低，面临未来环境变化的适应风险。

Is inbreeding the same as identity by descent?

否。近交度量与IBD相关但不直接等同。近交系数计算的是相对于任意参考基础种群的IBD概率增加。不同的估计方法（如基于谱系或基因组）使用不同的基线。

How can inbreeding be measured?

近交可通过谱系、数百个遗传标记或全基因组数据量化。基因组F估计器主要分两类：基于SNP相关性的（如F_UNI, F_GRM）和基于基因组纯合性的（如F_HOM, F_ROH）。F_PED是基于谱系的等效方法。不同估计器强调近交的不同方面（非随机交配或遗传漂变结果），不能直接比较。

What do inbreeding measures

近交度量受生活史、行为（如社会结构）和人口因素（如种群波动）影响。例如，隐藏种群结构可导致杂合性缺陷（F_IS > 0），而社会结构可能导致杂合子过量（F_IS < 0）。因此，近交系数需结合其背景和假设进行批判性分析。

What natural mechanisms minimize "inbreeding"?

行为机制如反对与亲属交配的偏向、性别偏向扩散等常被视为近交避免策略。但近交耐受或偏好也存在（可能带来遗传利益）。F系数本身无法揭示这些行为机制的存在。

What are the future directions for studying inbreeding in conservation?

未来研究方向包括：为受威胁物种开发高质量参考基因组以改进ROH分析；利用机器学习更好地预测突变功能影响；研究表观遗传机制（如DNA甲基化）在近交衰退中的作用；以及整合遗传、人口、生态和环境数据进行多维度分析。

研究结论与意义

本综述系统澄清了近交在保护生物学中的多重含义，强调了概念混淆对评估和管理的影响。研究指出，近交衰退与适应性的关系复杂，受种群历史、选择效率和环境因素调节。基因组学提供了多种近交度量工具（如F_ROH），但其解释需谨慎并考虑背景。研究还揭示了表观遗传可能参与近交衰退的新视角。最终，有效保护濒危小种群需要超越纯遗传学视角，整合行为、生态和环境数据，以全面理解近交的动态及其保护意义。这项工作为保护遗传学家和管理者提供了重要的概念框架，有助于制定更明智的种群管理策略，如遗传拯救和栖息地连通性计划。