加拉帕戈斯群岛特有壁虎基因组与生物地理格局揭示有人类活动岛屿上的种群结构和物种界定

《Scientific Reports》：Genomic and biogeographic patterns of endemic geckos in the Galapagos Islands reveal population structure and species delimitation on inhabited islands

本研究针对加拉帕戈斯群岛特有叶趾虎属(Phyllodactylus)物种的进化与保护问题，采用RAD-Seq技术对6种分布于人类居住岛屿的壁虎进行了群体基因组学研究。分析发现五个主要遗传聚类，并提出将P. andysabini与P. simpsoni归并为同一物种。研究揭示了与岛屿形成时序相符的物种分化模式，发现人类活动并未导致显著的基因混杂，而地理隔离是种群分化的主要驱动力。该研究为理解岛屿特有物种的进化动态及制定有效保护策略提供了重要的基因组学见解。

　　

在浩瀚的太平洋上，距离厄瓜多尔海岸约1000公里的加拉帕戈斯群岛，因其独特的生物多样性和作为“自然实验室”在研究进化过程中的重要地位而闻名于世。这个火山群岛不仅孕育了象龟、海鬣蜥等标志性物种，还生活着多种特有的小型爬行动物，其中包括十一 endemic (特有的) 种叶趾虎属(Phyllodactylus)壁虎。然而，与备受关注的大型爬行动物相比，这些夜行性壁虎的进化模式、物种多样性和生态动态却鲜为人知。

这些 endemic 壁虎面临着栖息地改变和丧失、以及 introduced species (引入物种) 带来的多重威胁，这些物种可能作为捕食者、竞争者或疾病携带者影响本地壁虎种群。尽管人类活动导致的环境变化可能改变基因流动并重塑种群结构，但尚无研究检验这些人为驱动的过程是否导致了遗传混杂、种群瓶颈或新谱系的形成。此前关于加拉帕戈斯叶趾虎的研究主要依赖于核基因和线粒体标记，虽然揭示了 broad-scale biogeographic patterns (大尺度生物地理格局)，如 colonization (定殖) 的时间和路线，但这些标记在解析种内多样性，特别是近期种群水平过程方面分辨率有限。

为填补这一知识空白，由Gabriela Pozo和Maria de Lourdes Torres领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们采用了一种名为 RAD-Seq (限制性位点关联DNA测序) 的高分辨率基因组学方法，旨在阐明生活在加拉帕戈斯四个有人类居住岛屿上的六种 endemic 叶趾虎的遗传多样性和种群结构。这项研究不仅有助于理解这些独特壁虎的进化动态，也对在面临日益加剧的人类活动影响的岛屿生态系统中制定有效的保护和管理策略至关重要。

研究人员主要应用了以下关键技术方法：在加拉帕戈斯群岛的圣克鲁斯、伊莎贝拉、弗洛雷阿纳、圣克里斯托瓦尔和费尔南迪纳岛进行了野外采样，共采集了184份壁虎尾尖组织样本；利用RAD-Seq技术对95个样本进行测序，获得了超过10亿条 reads；使用Stacks软件进行 de novo (从头) 位点组装和SNP (单核苷酸多态性) calling ( calling )，经过严格质控后，最终获得包含93个个体、30,353个SNP的数据集用于后续分析。分析手段包括群体结构分析(PCA, DAPC, sNMF)、系统发育重建(最大似然法ML、贝叶斯推断)、遗传分化指标计算(F_ST, D_XY)、遗传多样性评估(期望杂合度H_e、核苷酸多样性π)以及基于多物种溯祖模型的物种界定分析(BPP)。

种群结构和遗传分化

主成分分析(PCA)和判别分析主成分(DAPC)结果清晰地显示了研究样本的遗传分化格局。

PC1(28%) vs. PC2(23%)揭示了三个 distinct clusters (明显的聚类)：P. darwini构成第一个聚类，P. leei形成第二个聚类，而P. baurii, P. galapagensis, P. simpsoni和P. andysabini则聚集在第三个聚类中。PC1(28%) vs. PC3(14%)进一步将P. baurii与P. galapagensis、P. simpsoni和P. andysabini区分开来。DAPC分析也支持将这些物种划分为不同的遗传聚类。

最大似然(ML)系统发育树和贝叶斯推断树均阐明了样本间的相互关系。

除了P. andysabini被嵌套在P. simpsoni的分支内外，所有Phyllodactylus物种都被区分开。单倍型网络图将六个分析的物种划分为五个不同的聚类，与系统发育树结果一致，P. andysabini位于P. simpsoni聚类内部。

物种间遗传分化分析显示，F_ST值范围在0.524到0.981之间，D_XY值范围在0.02到0.117之间。

P. galapagensis与合并的P. simpsoni/P. andysabini类群之间的遗传分化最低(F_ST=0.524)。P. darwini与其他物种的遗传分化值最高，尤其是与P. baurii之间(F_ST=0.961)。亲缘关系最近的物种P. andysabini和P. simpsoni的D_XY值最低(0.02)。

种内遗传分化分析表明，F_ST值呈现出与地理距离相关的模式，距离较近的采样点之间F_ST值较低，随着采样点间距离增加，F_ST值升高。

例如，在P. baurii中，西部和北部采样点(地理上较近)之间的F_ST值较低(0.04)，而西部和东部采样点(距离较远)之间的值较高(0.102)。然而，Mantel检验未发现任何物种的地理距离和遗传距离之间存在显著相关性。

群体遗传结构分析(sNMF)显示，当祖先群体数K=5时，交叉熵得分达到 clear minimum (明显最小值)，表明存在五个主要的祖先群体。

K=5时的祖先成分条形图揭示了离散的遗传聚类，主要对应于物种和地理分组，聚类间仅有 minimal admixture (极少的混合)。K=6时显示了P. simpsoni内的亚结构，但并未改变 overall clustering (整体聚类格局)。

遗传多样性

所有研究物种的遗传多样性均处于较低水平。期望杂合度(H_e)从P. baurii的0.0175到P. simpsoni的0.0794不等。核苷酸多样性(π)从P. darwini的0.0023到P. simpsoni的0.0225。P. baurii和P. darwini的遗传多样性值最低。

物种界定

基于多物种溯祖模型(BPP, A10框架)的物种界定分析，支持存在五个 well-supported lineages (得到良好支持的谱系)，分别对应于P. darwini, P. leei, P. baurii, P. galapagensis以及合并的P. simpsoni-P. andysabini支系。

每个节点下的物种形成 posterior probabilities (后验概率)均很高(≥0.95)，证实了这五个谱系的 distinctiveness (独特性)。这一结果与PCA、DAPC、系统发育树和admixture分析结果完全一致，均将P. simpsoni和P. andysabini归为一类。

本研究通过高分辨率基因组学分析，揭示了加拉帕戈斯群岛特有叶趾虎属壁虎清晰的物种边界和种群结构。研究结果强有力地表明，基于形态学和有限遗传标记描述的P. andysabini与P. simpsoni应为同一物种，研究人员因此提出将Phyllodactylus andysabini视为Phyllodactylus simpsoni的 junior synonym (次定同物异名)。物种间的遗传关系与加拉帕戈斯群岛的形成时序相符，支持物种分化遵循了岛屿形成序列的假设。令人意外的是，尽管研究岛屿存在显著的人类活动，但分析并未发现这些活动对壁虎种群间的基因流动产生显著影响，种群边界依然 intact (完好)，表明地理或行为障碍在限制基因流动方面比人为影响更为强大。作为岛屿 endemic 物种，所有研究物种的遗传多样性普遍较低，这与其分布范围受限、种群规模较小以及隔离进化历史密切相关。

这项研究凸显了利用基因组学工具研究岛屿生物进化与保护的重要性。它不仅深化了对加拉帕戈斯这一独特生态系统进化过程的理解，也为这些易受威胁的 endemic 壁虎的保护管理提供了关键的遗传学依据，特别是在人类活动日益改变岛屿环境的背景下。研究也警示，在物种界定中应避免过度依赖少量形态特征或有限遗传标记，强调 integrative taxonomy (整合分类学) 和稳健采样对于得出可靠分类结论的必要性。