构建基于基因组信息的人口统计模型，以指导入侵杂交种的管理

《Ecological Applications》：Building genomically-informed demographic models to guide management of invasive hybrids

本研究针对加州虎蟾蜍（CTS）与入侵的 barred tiger salamander（BTS）杂交问题，通过改进贝叶斯积分投影模型（IPM），分析不同水期和杂交比例对种群增长（λ）、承载能力（K）及长期生存率的影响。结果表明，延长水期至120天可显著提高λ和K，而减少至80天则导致λ<1，种群衰退。建议采用三重策略：对无杂交风险的种群延长水期至>120天；在杂交区减少水期以抑制杂交优势；结合快速基因检测和针对性杂交移除，优先处理前沿杂交种群，并动态调整水期管理。

　　### 中文解读：加州虎蝾螈与入侵种杂交的管理挑战及水文调控的策略分析

#### 引言：生物多样性保护中的关键问题

生物多样性保护是一项复杂的任务，其中涉及对濒危物种种群动态的深入理解。在众多影响生物多样性的因素中，入侵物种的扩散和与本地物种的杂交尤为突出。加州虎蝾螈（*Ambystoma californiense*，以下简称“CTS”）作为濒危物种，其生存状况受到外来物种——条纹虎蝾螈（*Ambystoma mavortium*，以下简称“BTS”）的严重影响。BTS于1950年代被人为引入至萨利纳斯谷地（加州蒙特雷县），之后在农业和畜牧业的扩张中迅速扩散，形成了广泛的杂交区域。

CTS和BTS之间的杂交现象对当地生态系统构成重大威胁，不仅削弱了CTS的遗传多样性，还可能影响到依赖于其生存的临时水池生态系统的稳定性。由于CTS具有隐秘的生活习性和繁殖行为，它们的种群动态难以直接监测，这使得传统的清除措施变得困难甚至不可能。因此，需要探索新的管理手段，如水文调控，以有效减少杂交的发生并保护本地种群。

#### 方法：基于个体的IPM模型构建

为了评估水文调控对CTS种群的影响，研究团队采用了一种基于贝叶斯积分投影模型（IPM）的框架。这种模型能够模拟个体的生长、成熟、繁殖等关键生态过程，并整合遗传信息以分析种群内的杂交状况。研究将原有IPM模型扩展，以纳入从实验中获得的有关幼体存活率、幼体质量以及种群水文特征的条件性参数。这些参数通过自定义的R语言脚本在jagsUI包中进行贝叶斯回归分析，从而预测幼体在不同水文条件下存活至变态的几率和变态后的质量。

模型采用了两种版本：一种是密度无关模型，用于分析种群的内在增长率；另一种是密度相关模型，用于预测种群在资源限制下的最大承载量（*K*）。研究通过从每个模型参数的后验分布中随机抽取500个值，并进行500次模拟，以反映不确定性对整个模拟过程的影响。这种设计确保了种群统计数据的变化能够体现各个函数的不确定性。

#### 结果：水文调控对种群动态的影响

研究结果显示，水文周期对CTS种群的内在增长率（λ）和承载能力（*K*）具有显著影响。在密度无关模型中，水文周期的增加与λ呈正相关，10天的延长使λ提高了17%。同时，水文周期对* K*的影响更为显著，使得* K*几乎增加了三倍。这些结果表明，水文调控是影响种群增长和维持的关键因素。

在密度相关模型中，水文周期对* K*的影响同样显著，且不同初始杂交比例的种群表现出不同的承载能力。例如，初始杂交比例增加25%时，* K*也增加了42%。水文周期的增加不仅提高了种群的生存率，还增加了种群的承载能力，这在密度相关的模型中得到了进一步验证。

此外，研究还对种群存活率进行了分析，发现环境随机性（如降雨量）对种群的长期存活具有重要影响。降雨量不足的年份可能导致成体繁殖失败，降低幼体的存活率，从而影响种群的稳定性。研究通过模拟100年的种群动态，评估了不同管理策略对种群存活的影响。

#### 讨论：水文调控与杂交管理的策略

研究强调，水文调控虽然不能完全逆转杂交，但可以作为有效的管理工具。特别是在杂交区域，减少水文周期有助于限制杂交种群的扩张，同时维持临时水池的生态功能。对于尚未受到杂交威胁的本地种群，增加水文周期有助于维持种群的稳定性和增长潜力。

然而，研究也指出，水文调控的效果因种群的初始杂交比例而异。在杂交比例较高的种群中，水文周期的延长可能会进一步加剧杂交现象。因此，研究建议采用综合策略，包括水文调控、快速现场基因型分析和针对性的杂交个体清除。这些策略可以有效减少杂交的传播，特别是在种群杂交比例较低的区域，如杂交种群的前沿地带。

研究还提到，杂交个体的清除策略需要考虑多个因素，包括检测阈值、捕捉概率、检测的个体数量、清除的年数以及杂交指数（HIS）的阈值。这些参数的调整将影响清除效果。例如，较高的HIS阈值可以减少清除的严格性，而较低的阈值则有助于更彻底地减少杂交。

#### 管理建议：综合策略的应用

为了有效减少非本地种的杂交影响，研究提出了以下管理建议：

1. **针对特定种群进行调查和清除**：优先在近期发生杂交、与本地种群有高连通性或孤立的种群中进行杂交个体的清除。这些区域往往更容易受到杂交扩散的影响，因此需要更及时的干预。

2. **在未受杂交威胁的本地种群中增加水文周期**：这有助于维持种群的稳定性和增长潜力，从而提高其对环境变化的适应能力。

3. **在杂交种群中减少水文周期**：以降低非本地种的繁殖成功率，同时维持临时水池的生态功能。通过调整水文条件，如使用溢流或立管，可以有效控制杂交种群的扩散。

4. **开发快速检测技术**：在野外快速识别杂交个体，以提高管理效率。目前，传统的基因型分析方法虽然准确，但耗时较长，因此需要开发更快速、高效的分子检测技术。

#### 更广泛的适用性：模型的推广价值

本研究不仅适用于CTS与BTS的杂交管理，还为其他涉及基因型-环境相互作用的物种提供了模型框架。通过将个体的基因型和表型纳入种群模型，可以更准确地模拟不同管理策略对种群动态的影响。这种模型可以用于分析其他濒危物种的种群动态，特别是在气候变化和外来物种入侵的背景下。

研究还指出，未来的工作应进一步探索基因型对种群动态的影响，包括杂交个体在变态和幼体阶段的生长率。此外，还应结合气候变化预测和水文模型，以评估不同环境条件下的种群存活率。这些研究将有助于更好地理解种群在不同环境下的适应能力和演化趋势。

#### 作者贡献与利益冲突声明

本研究由多位科学家共同完成，包括Robert D. Cooper、Arianne F. Messerman、Christopher A. Searcy等，他们在模型构建和数据分析方面做出了重要贡献。研究团队在项目开发和完成过程中得到了H. Bradley Shaffer和Gregory F. Grether的指导。Robert D. Cooper和H. Bradley Shaffer负责撰写论文，Robert D. Cooper和Erin Toffelmier完成了统计分析并生成了图表。所有作者都参与了论文的审阅和修改。

研究团队声明没有利益冲突，确保研究的客观性和科学性。

#### 总结：水文调控在生物多样性保护中的重要性

本研究通过整合种群动态、遗传信息和生态数据，展示了水文调控在保护濒危物种方面的价值。研究结果表明，水文调控不仅可以提高本地种群的生存率和承载能力，还可以有效减少杂交的发生。这种综合策略为生物多样性保护提供了新的思路，并可能成为其他物种管理的参考框架。通过优化管理策略，可以更好地应对入侵物种带来的挑战，确保种群的长期生存和遗传多样性。