遗传标记类型对迁地保护最小样本量估计及其方差的影响分析

《Conservation Genetics》：Genetic marker type impacts ex situ conservation minimum sample size estimates and their variance

本研究针对迁地保护中遗传标记选择对最小样本量估计(MSSE)的影响问题，通过模拟微卫星(MSAT)和单核苷酸多态性(SNP)数据，系统评估了不同标记类型在物种保护遗传学中的应用差异。研究发现SNP标记所需的MSSE是微卫星的两倍，且置信区间更大，强调保护实践中需结合标记类型和种群规模来优化采样策略。该成果为修订95%遗传多样性保护标准提供了关键理论依据，对植物园和种子库的采样设计具有重要指导意义。

　　

随着生物多样性丧失速度的加快，植物园、树木园和种子库等机构开展的迁地保护(ex situ conservation)成为拯救濒危物种的重要方式。然而，如何在这些有限空间内高效保存物种的遗传多样性，一直是保护生物学家的核心挑战。传统的做法是通过遗传数据计算需要保存多少个体才能代表野生种群95%的遗传多样性——即最小样本量估计(MSSE)。长期以来，微卫星(microsatellite, MSAT)标记因其高杂合度和信息含量成为主流工具，但新一代测序技术带来的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)标记能提供更全面的基因组覆盖。尽管已有研究比较过不同标记在群体遗传学参数估计中的表现，但它们在迁地保护指标——尤其是MSSE及其方差——上的影响尚未系统评估。此外，以往MSSE结果多报告平均值，忽略了估计的不确定性，这可能导致保护实践中的采样目标偏离实际需求。

为填补这些空白，莫顿树木园的研究团队Austin C. Koontz等人在《Conservation Genetics》上发表论文，通过模拟不同种群规模、迁移率和种群数量的物种遗传数据，首次系统分析了MSAT和SNP标记对MSSE估计值及其置信区间的影响。研究发现，基于SNP的MSSE比MSAT高出约一倍，且这种差异在种群规模较大时更加明显；同时，MSSE的置信区间普遍较大，但可通过增加位点数量来缩小。这一结果警示，在制定保护采样方案时，必须考虑标记类型、位点数量和种群规模等因素，并对长期沿用的“95%遗传多样性保护标准”提出了修订建议。

研究采用基于fastSimcoal的溯祖模拟(coalescent simulation)方法，通过strataG R包生成MSAT和SNP数据。MSAT参数设置为突变率1e-3、等位基因范围约束15，模拟25个位点；SNP参数设定为100条染色体、每染色体10个连锁块，突变率1e-7，生成1000个位点。模拟场景涵盖两种总种群规模（N₁₂₀₀和N₄₈₀₀）、三种种群数量（1/4/16）及两种迁移率（0.001/0.01）。每个场景重复5次，生成基因型矩阵后，通过重抽样分析计算等位基因代表性(allelic representation)，并使用指数回归模型预测95%多样性阈值对应的MSSE及预测区间宽度(PI width)。此外，研究还对14种IUCN红色名录受威胁栎树进行案例模拟，以验证实际保护中的方差影响。

模拟数据验证

通过与濒危栎树Quercus acerifolia的实证数据对比，优化后的参数使模拟数据的等位基因频率分布更接近真实情况。MSAT模拟显示高频率等位基因略少，而SNP数据在较大种群规模下低频等位基因比例更合理。群体遗传参数如期望杂合度(H_E)、固定指数(F_ST)均符合理论预期，SNP的H_E低于MSAT，高迁移率场景下F_ST显著降低。

迁地保护分析

重抽样结果显示，SNP标记的MSSE显著高于MSAT。例如在N₁₂₀₀种群中，MSAT的95% MSSE为351个体，而SNP为647个体；N₄₈₀₀时差异进一步扩大（MSAT: 849 vs SNP: 2932）。

同时，MSAT的预测区间宽度（如N₁₂₀₀下625.7）远大于SNP（151.9），表明SNP估计值更稳定。方差分析证实标记类型对等位基因代表性解释度极高（p < 2.2e-16）。

位点数量对方差的影响

位点自助抽样表明，增加位点能缩小预测区间，但效果有限。MSAT位点从5增至25时，区间宽度从959.1降至625.7；SNP从100位点增至1000位点，宽度由410.8减至151.9。这说明即使使用大量位点，MSSE的不确定性仍较显著。

案例研究：14种受威胁栎树

针对物种特异性参数的模拟显示，MSSE估计值（如Quercus boyntonii为301个体）低于通用模拟结果，但预测区间宽度（如471.5）仍凸显实际采样中完整种群数据缺失带来的风险。

研究结论强调，标记类型通过影响等位基因频率谱（尤其是稀有等位基因的检测）直接改变MSSE估计。MSAT因同塑性(homoplasy)和高突变率低估实际需求，而SNP更贴近基因组真实多样性但需更大样本量。此外，MSSE的宽置信区间警示现有保护标准（如95%多样性阈值）需结合不确定性进行重新评估。作者建议未来保护实践应明确标记类型、报告置信区间，并通过空间采样设计和功能基因位点筛选提高效率。本研究首次将模拟与实证相结合，为植物园和保护区制定遗传资源保护策略提供了量化工具，推动了迁地保护遗传学向更精准、可靠的方向发展。