尽管核基因混合程度有限，北美洲红背田鼠（Clethrionomys rutilus 和 C. gapperi）仍表现出单向的线粒体基因渗入现象

红背仓鼠（Clethrionomys rutilus和Clethrionomys gapperi）在次级接触区存在核基因混合但线粒体基因单向 introgression的现象，揭示冰期后殖民路径与不完全生殖隔离的复杂互动。通过RAD-seq分析三个接触区（东南阿拉斯加、不列颠哥伦比亚、西北地区），发现BC和SEAK存在线粒体基因单向 introgression，其中BC表现为移动接触区，SEAK则局限在史提肯河区域，而西北地区未发现 introgression。地理阻隔（如海岸山脉）和冰期后植被演替影响物种扩散，可能驱动不同区域的 mitonuclear discordance。机制包括雄性偏态扩散、线粒体适应性进化或生殖隔离不完全。

　　
本文以北美红脊仓鼠（*Clethrionomys rutilus*和*Clethrionomys gapperi*）为研究对象，通过整合分子遗传学数据和地理考古学证据，系统解析了这两个物种在次级接触中的杂交模式及其演化机制。研究聚焦于三个地理区域——东南阿拉斯加（SEAK）、不列颠哥伦比亚（BC）和西北地区（NWT），旨在揭示冰川历史对物种分化和基因交流的影响。以下从研究背景、方法、主要发现及讨论三个方面进行解读。

### 一、研究背景与科学问题
红脊仓鼠的分化与迁徙历史与冰川进退密切相关。根据地质证据，末次冰盛期（约21,000年前）期间，北美大部分地区被冰川覆盖，仅存Beringia（白令陆桥）等少数冰缘区。这种地理隔离导致*r. rutilus*（北方种群）和*r. gapperi*（南方种群）在冰川期形成独立演化分支。冰期结束后，随着冰川消退，两个种群再次接触，引发次级接触下的杂交与基因 introgression（基因渗入）现象。然而，关于这种接触后演化的具体模式、驱动机制及其与生物地理历史的关联，仍存在争议。

核心科学问题包括：（1）核基因和线粒体基因的 introgression 是否呈现单向性？其背后是单纯的人口迁移（如雄性偏散居），还是存在适应性选择？（2）不同地理区域（如SEAK、BC、NWT）的接触历史有何差异？冰川消退的时空格局如何影响物种分化与基因交流？

### 二、研究方法与数据来源
研究采用多组学整合策略，结合RAD-seq技术分析核基因组和线粒体基因组的分化与 introgression。具体方法如下：

#### 1. 样本采集与数据获取
采集三个接触区（SEAK、BC、NWT）的*r. rutilus*和*r. gapperi*样本，总计244份。样本来自美国堪萨斯州博物馆、新墨西哥州博物馆、阿拉斯加博物馆和威斯康星大学博物馆，涵盖现代种群及冰川期遗留的冰缘区种群。同时引入驯鹿仓鼠（*Alticola lemminus*）作为外群对照。

#### 2. 分子标记开发与数据处理
采用限制性内切酶（NdeI）切割DNA，通过RAD-seq生成单端测序数据。核基因组筛选出7,670个高置信度单核苷酸多态性（SNP），线粒体基因组识别出82个SNP。通过Stacks软件构建基因型矩阵，利用PhyloTree进行物种内系统发育分析。

#### 3. 基因流分析
（1）采用STRUCTURE软件（K=2）计算个体核基因组的种间混合比例，绘制三角图验证杂种的存在；
（2）通过ABBA-BABA检验计算D值，检测核基因 introgression；
（3）利用EEMS模型估算有效迁移率，揭示种群间基因流动的地理格局。

### 三、主要研究发现
#### 1. 核基因组与线粒体基因的分化模式
- **BC地区**：检测到32个个体存在*r. gapperi*核基因组与*r. rutilus*线粒体基因的 discordance（基因协同性差）。D值检验显示，北部种群（靠近阿拉斯加）存在显著核基因 introgression（D=0.28，p<0.05），而南部种群（靠近BC与阿拉斯加交界）未发现 introgression。
- **SEAK地区**：发现37个个体携带*r. gapperi*核基因组但具有独特的*r. rutilus*线粒体亚型。该亚型在*r. rutilus*群体中未发现，且仅出现在*r. gapperi*核基因组的个体中，表明单向线粒体 introgression。
- **NWT地区**：未检测到线粒体 introgression，仅发现1个个体存在核基因组混合（D值未达显著水平）。

#### 2. 种群遗传结构与迁徙路径
- **核基因组层面**：通过STRUCTURE分析显示，所有个体均可明确归为*r. rutilus*或*r. gapperi*，仅1个个体（NWT地区）为混合型。
- **线粒体系统发育**：构建的tanglegram（核苷酸多态性网络图）显示，SEAK和BC地区的*r. rutilus*线粒体基因呈现单系群分化，而NWT地区未发现 introgression。
- **地理隔离与基因流**：EEMS模型显示，BC与SEAK地区的*r. rutilus*存在显著的地理隔离，其有效迁移率在 Coast Mountains（落基山脉）处骤降，表明山脉屏障阻碍基因流动。

#### 3. 线粒体 introgression的单向性
- **BC地区**：线粒体 introgression呈现由北向南的单向扩散特征。例如，靠近阿拉斯加的种群（pop1）线粒体 introgression程度最高，而南部种群（pop14）未发现 introgression。
- **SEAK地区**：单向 introgression局限于Stikine河附近，且携带 introgressed 线粒体的个体均具有*r. gapperi*核基因组，提示杂交事件发生时间较晚。
- **NWT地区**：完全未发现 introgression，表明该区域种群分化时间较长（>11,800年前）。

### 四、讨论与机制解析
#### 1. 冰川历史与接触区形成
研究支持*r. rutilus*通过Beringia冰缘区持续北扩，而*r. gapperi*则从南方森林区向北方迁移。SEAK地区在末次冰期后（约14,200年前）率先 deglaciate，形成最早的接触区；BC地区在后续 deglaciation（约11,800年前）中接触；NWT地区接触时间最晚（约10,000年前），导致其未发现 introgression。

#### 2. 单向线粒体 introgression的机制
在BC地区，单向 introgression可能由以下机制共同驱动：
- **迁移优势**：*r. gapperi*具有更强的适应性，在北方扩张过程中吸收*r. rutilus*线粒体。例如，线粒体 introgression程度与*r. gapperi*核基因丰度呈正相关。
- **性偏分离与选择压力**：雄性偏散居（常见于啮齿类）可能导致线粒体基因（母系遗传）在混合种群中固定困难。然而，BC地区的 introgression水平与地理距离呈负相关，提示可能存在适应性选择。*r. rutilus*线粒体可能携带耐寒突变（如线粒体ND1基因），在*r. gapperi*种群扩散时提供微适应性优势。
- **杂交生殖壁垒**：实验证据显示，雄性*r. rutilus*与雌性*r. gapperi*杂交产生的后代存活率较高（McPhee, 1977），而反向杂交成功率较低。这可能导致*r. gapperi*种群在扩张过程中优先接受*r. rutilus*线粒体。

#### 3. SEAK地区的特殊模式
SEAK的 introgression局限于Stikine河附近，且 introgressed 线粒体仅存在于*r. gapperi*核基因组的个体中。可能的解释包括：
- **冰缘走廊效应**：Stikine河是连接阿拉斯加与BC的潜在走廊，冰川消退后*r. gapperi*通过该路径入侵，并携带*r. rutilus*线粒体。
- **地理隔离与瓶颈效应**：SEAK种群可能经历多次隔离-扩张循环，导致 introgression 线粒体在局部固定。

#### 4. NWT地区的隔离机制
NWT地区未发现 introgression，可能源于：
- **地理屏障**：Kakisa河作为物理隔离带，阻碍了种群间的基因交流。尽管该河流经区域在1960年代已架桥，但动物仍倾向于选择同种栖息地。
- **时间差异**：NWT地区接触时间最晚（约10,000年前），而*r. gapperi*种群可能尚未到达该区域，或已完全取代*r. rutilus*。

### 五、理论启示与未来方向
#### 1. 对mitonuclear discordance理论的贡献
研究验证了两种机制可能导致 mitonuclear discordance：
- **中性机制**：线粒体基因组的随机扩散（如*r. rutilus*线粒体在*r. gapperi*种群中的被动传播）。
- **适应性机制**：introgressed线粒体携带功能优化突变（如耐寒能力），通过选择压力保留在种群中。

#### 2. 对冰川期物种迁徙的再认识
研究显示，*r. gapperi*的北扩速度慢于*r. rutilus*，这可能与生态位竞争有关。例如，*r. gapperi*更依赖森林环境，而*r. rutilus*适应度更高，导致*r. gapperi*的北扩受限于植被分布（如红松林扩张滞后）。

#### 3. 未来研究方向
- **全基因组测序**：解析 introgressed线粒体与核基因组的协同进化关系，例如N-mt基因（核编码线粒体基因）的适应性突变。
- **实验室杂交实验**：验证性交生殖中不同组合的后代存活率，明确生殖壁垒的方向性。
- **古DNA分析**：结合末次冰期冰缘区样本，重建*r. rutilus*和*r. gapperi*的 divergence时间节点。

### 六、生态与进化意义
该研究为冰川期物种分化与接触后杂交提供了分子证据，表明：
1. **线粒体基因组的适应性 introgression**可能成为物种适应性进化的新机制，例如通过线粒体-核基因协同进化提升环境适应力。
2. **地理屏障的动态作用**：山脉和河流不仅是物理隔离带，还可能通过改变基因流动方向影响 introgression模式。
3. **中性遗传漂变与适应性选择**的竞争：在*r. gapperi*种群中，introgressed线粒体可能通过中性扩散或微适应性选择实现固定。

### 结语
本研究揭示了红脊仓鼠种群在冰川消融后的动态演化过程。单向线粒体 introgression在BC和SEAK地区的不同表现，提示环境适应性选择与中性扩散共同塑造了 mitonuclear discordance。未来结合古DNA和实验生物学方法，有望更深入解析冰川历史与基因交流的相互作用机制。这一系统为研究其他冰缘区物种（如驯鹿、雪鸮）的分化与杂交提供了模型参考。