染色体级基因组揭示熊科物种快速分化与古老基因流

《Genome Biology and Evolution》：Chromosome-scale Genomes Show Rapid Diversification and Ancient Gene Flow Among Bear Species

本研究针对熊科物种进化历史重建受限于高质量参考基因组的难题，通过构建太阳熊、懒熊和安第斯熊的染色体级基因组，结合全基因组比对与系统发育分析，揭示了熊科物种在500万年内快速辐射分化，并发现亚洲黑熊与北方熊类祖先间存在显著基因流事件。研究进一步证实熊科祖先核型与现存六种熊属物种高度保守，而大熊猫和安第斯熊的染色体数目减少与LINE/L1反转录转座子介导的融合事件相关。正选择分析发现TCPN2等基因与北极熊白化表型相关，为熊类适应性进化提供分子证据。该研究为熊科物种保护基因组学与进化机制研究提供了关键资源。

　　

熊科动物作为全球大型哺乳动物中生态地位关键且易受威胁的类群，其八种现存物种中有六种被世界自然保护联盟列为“易危”。尽管熊类在形态、生理和行为上表现出惊人的多样性，例如北极熊为适应极地环境演化为白色皮毛，大熊猫为消化竹子特化了味觉受体基因，但对其进化历史的认知长期受限于基因组资源的匮乏。此前，仅有四种熊拥有染色体级别的参考基因组，亚洲黑熊等关键物种的系统发育位置因快速辐射带来的不完全谱系分选和基因流事件而存在争议。此外，熊科物种间染色体数目差异显著，熊属物种为2N=74，而大熊猫和安第斯熊分别仅为2N=42和52，其核型演化机制亦未明确。

为突破这些瓶颈，研究团队在《Genome Biology and Evolution》发表了题为“染色体级基因组揭示熊科物种快速分化与古老基因流”的论文。他们利用PacBio HiFi长读长测序和Omni-C染色质构象捕获技术，首次完成了太阳熊、懒熊和安第斯熊的染色体级基因组组装，并整合所有熊科及外群食肉动物基因组进行了全基因组比对。通过多维度分析，不仅重构了熊科物种的分化时间线，还揭示了早期杂交事件对系统发育信号的干扰，阐明了核型演化的分子基础，并挖掘出与毛色、代谢等适应性性状相关的正选择基因。

关键技术方法包括：基于HiFiasm和YaHS的相位基因组组装与支架构建；使用ProgressiveCactus进行多物种全基因组比对；通过ASTRAL和SNaQ分析基因树冲突与杂交事件；利用DESCHRAMBLER重建祖先核型；应用HyPhy的aBSREL方法检测正选择信号。样本来源于圣地亚哥动物园联盟提供的细胞系，涵盖太阳熊、懒熊和安第斯熊的雄性个体。

结果

染色体级组装与注释

研究生成的三个新基因组组装均达到地球生物基因组计划参考标准，超过90%序列被锚定至染色体，BUSCO完整性评分高于99%。注释结果显示每个物种平均含20,389个蛋白质编码基因，其中14,656个为单拷贝直系同源基因，为后续比较分析奠定基础。

熊属物种的快速分化

基于保守非编码区、内含子和外显子数据的 coalescent 系统发育重建均支持一致的物种树拓扑结构，将熊科分为大熊猫基群、安第斯熊姐妹群，以及包含亚洲黑熊、太阳熊、懒熊的“南方群”和包含黑熊、棕熊、北极熊的“北方群”。分化时间估算表明，熊属物种的共同祖先存在于约434万年前，而北极熊与棕熊的分化仅发生在40万年前。值得注意的是，使用全部基因树（而非仅支持物种树的基因树）进行 coalescent 分析会使分化时间年轻化，凸显了基因树异质性对定年结果的影响。

物种树与基因树冲突

尽管物种树节点支持率达100%，近50%的50 kb局部基因树与物种树拓扑不一致。基因一致性因子分析显示，支持亚洲黑熊与南方群聚类的节点仅获不足半数基因树支持，而支持熊属单系性的节点一致性最高。拓扑加权分析识别出三种主要竞争拓扑，其中52.5%窗口支持物种树，40.5%支持亚洲黑熊与北方群姐妹关系。系统发育网络重建表明，这一冲突源于熊属早期的一次主要杂交事件：在50 kb窗口分析中，杂交边从亚洲黑熊指向北方群祖先，贡献约1/3基因流；而在10 kb窗口中方向反转，提示杂交历史的复杂性。

熊属内基因组结构的保守性

基因组共线性分析显示，六种熊属物种间平均序列保守性达93.34%，同源区块N50为35.32 Mb，显著高于其与安第斯熊、大熊猫的比较结果。祖先核型重建表明，熊科祖先具有66条染色体，经6次裂变和2次融合形成熊属2N=74核型。X染色体在演化过程中未发生重排，而大熊猫和安第斯熊分别经历18次融合/6次裂变、13次融合/6次裂变，其断点区域显著富集LINE/L1反转录转座子等重复序列，提示转座子活动驱动了核型缩减。

熊科物种的正选择分析

在936个基因中检测到正选择信号，大熊猫、北极熊和亚洲黑熊分别有268、223和105个基因受选择。基因本体富集分析发现，黑熊中肉碱代谢相关基因显著富集，可能与冬眠脂质代谢调控相关；亚洲黑熊、太阳熊和懒熊分支中昼夜节律相关基因受选择。此外，与色素沉积相关的TCPN2基因在北极熊谱系发生16个氨基酸置换，其中两个离子转运结构域内的突变可能通过影响黑色素体pH值调控毛色白化，为北极熊适应性表型提供了候选机制。

结论与意义

本研究通过高精度基因组资源填补了熊科进化基因组学的空白，证实熊属物种在近期快速分化过程中伴随频繁的基因流，澄清了亚洲黑熊系统发育位置的争议根源。核型演化分析揭示熊属基因组结构高度保守，而大熊猫与安第斯熊的染色体重塑与转座子活动密切相关。正选择基因为关键性状的分子基础提供了新线索，尤其是TCPN2在北极熊毛色演化中的潜在作用。这些发现不仅深化了对熊科适应性辐射机制的理解，也为濒危物种的保护策略制定提供了基因组学依据。未来通过改进亚洲黑熊基因组连续性、整合群体遗传数据与泛基因组分析，将进一步揭示熊科进化历史的动态过程。