人类改造环境中四种无尾两栖类遗传多样性与分化的景观预测因子研究

《Landscape Ecology》：Landscape predictors of the genetic diversity and differentiation of four anuran species inhabiting anthropized environments

本研究针对人类改造环境如何影响共域无尾两栖类的遗传格局这一关键问题，在墨西哥瓦哈卡州南马德雷山脉的17个位点，通过ddRadSeq基因组测序技术获取了Rhinella horribilis、Leptodactylus melanonotus、Tlalocohyla smithii和Smilisca baudinii四种无尾类的遗传多样性（Ho、FIS）与分化指标（Pa、FST），并结合多尺度景观度量（土地类型数量、配置格局、异质性）开展模型分析。研究发现景观配置与异质性而非土地类型面积是解释物种遗传特征的关键因子，其中水体数量与空间布局、城市区域配置及景观异质性对物种遗传格局具有显著影响，揭示了物种-环境-基因互作的独特与共享模式。该成果为人类改造景观中两栖动物多样性保护提供了重要的遗传学依据。

　　

在热带地区广泛分布的人类改造环境，看似与生物多样性保护背道而驰，却可能意外地成为许多物种的栖息地。然而，这些环境究竟如何影响野生动物的遗传多样性？不同物种的反应是否一致？这些问题至今悬而未决。尤其对于无尾两栖类（青蛙和蟾蜍）这类对环境变化极为敏感的类群，其种群衰退与隔离可能导致遗传多样性降低、近交衰退加剧，以及种群间遗传分化增强。墨西哥瓦哈卡州的南马德雷山脉，经历了长达400年的人类活动改造，尤其是近60年的农业技术化，形成了次生林、作物/牧场和裸地交织的复杂景观矩阵，为探究上述问题提供了理想的自然实验室。

在此背景下，Gerardo J. Soria-Ortiz和Ella Vazquez-Domínguez在《Landscape Ecology》上发表了一项研究，他们以四种生活史特征各异、但在该区域共域分布的无尾两栖类——巨型蟾蜍Rhinella horribilis、墨西哥陆蛙Leptodactylus melanonotus、矮墨西哥树蛙Tlalocohyla smithii和普通墨西哥树蛙Smilisca baudinii——为研究对象，旨在评估景观特征如何影响这些物种的遗传多样性与分化，并探究这种关联是否存在空间尺度效应。

研究人员在2019年雨季（5-9月）于两个研究区域（R1和R2）的17个采样点进行了夜间调查，采集了465个个体的组织样本。他们利用双酶切ddRAD（ddRadSeq）技术进行基因组测序，经过严格的生物信息学处理（包括使用Stacks进行SNP calling，以及用VCFtools进行质量过滤），获得了高质量的SNP数据集。针对每个物种在每个采样点，计算了四个关键的遗传指标：观察杂合度（Ho，反映遗传多样性）、近交系数（F_IS，反映种群内近交程度）、私有等位基因数（Pa，反映特有遗传变异）和固定指数（F_ST，反映种群间遗传分化）。在景观层面，基于2019年5月的Sentinel-2卫星影像（10米分辨率），通过监督分类将土地用途划分为四类：植被覆盖（VC）、城市区域（UZ）、作物/牧场（CP）和水体（WB）。围绕每个采样点的中心点，设置了200米、500米、1000米和1500米半径的缓冲区，在每个尺度上计算了三类景观指标：土地类别的数量（VC、UZ、CP的百分比，以及WB的斑块数量）、配置（通过斑块密度和斑块聚集度的主成分分析PC1得分来表征）和景观异质性（香农-威纳多样性指数）。最终，利用线性混合模型（LMM）、广义线性混合模型（GLMM）、线性模型（LM）和广义线性模型（GLM）等统计方法，分析了景观变量与遗传指标之间的关系，并通过AICc模型选择准则确定了最佳解释模型和变量的相对重要性。

遗传多样性跨物种比较

研究结果显示，四种无尾两栖类呈现出不同的遗传格局。具有较强扩散能力和较大活动范围的巨型蟾蜍R. horribilis表现出最高的观察杂合度（Ho = 0.328 ± 0.023）和负的近交系数（F_IS= -0.145 ± 0.018），表明其种群规模较大或连通性较好，杂合子过剩。而扩散能力较弱、栖息地要求更为特化的墨西哥陆蛙L. melanonotus则表现出最高的遗传分化（F_ST= 0.043 ± 0.023）和私有等位基因数（Pa = 23.42 ± 20）。尽管在R2区域采样个体数最多（89个），矮墨西哥树蛙T. smithii的所有遗传多样性指标均为最低（例如Ho = 0.171 ± 0.003），这可能与其较小的窝卵数（<100枚）和特定的繁殖特性有关。这些差异在R2区域尤为显著，该区域植被覆盖损失较少，景观异质性更高，栖息地矩阵更为复杂，可能促进了物种间的相互作用和基因流。

景观预测因子与遗传格局的关联

模型分析揭示，景观配置和异质性在解释遗传多样性方面发挥了比土地类别面积更为重要的作用，而尺度效应则因物种和景观特征而异。

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  观察杂合度（Ho）与近交系数（F_IS）：景观异质性（SWH）和城市区域（UZ）配置是关键预测因子，但其影响因物种而异。对于喜开阔生境的R. horribilis，在500米尺度上，异质性与其Ho呈负相关（β = -0.0652），而与F_IS呈正相关（β = +0.1052）。相反，对于需要复杂植被矩阵的T. smithii，在200米尺度上，异质性与其Ho呈正相关（β = +0.0091）。对于树栖物种S. baudinii，在1000米尺度上，城市区域配置（UZ_conf_1000）与其Ho呈负相关（β = -0.0049），而与F_IS呈正相关（β = +0.0082），表明城市化元素（如不透水表面和道路）可能对其构成障碍，增加近交风险。对于L. melanonotus，异质性在200米尺度上与Ho负相关（β = -0.0349），而在1500米尺度上与F_IS负相关（β = -0.0883），提示异质性景观可能有助于减少其近交。
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  私有等位基因（Pa）与固定指数（F_ST）：城市区域（UZ）和植被覆盖（VC）的配置与数量是主要关联因子，但作用方向不一。UZ配置在200米和1500米尺度上分别与R. horribilis（β = +1.0788）和S. baudinii（β = +1.6147）的Pa正相关，却在1500米尺度上与L. melanonotus的Pa负相关（β = -1.5324）。VC配置在500米尺度上与L. melanonotus的Pa负相关（β = -1.3208），而在1500米尺度上与T. smithii的Pa正相关（β = +4.0208）。景观异质性在1000米尺度上与L. melanonotus的F_ST负相关（β = -0.1386），在1500米尺度上与S. baudinii的F_ST正相关（β = +0.0083）。作物/牧场（CP）配置则 consistently 与遗传分化呈负相关，例如在L. melanonotus（Pa, β = -4.6832）和T. smithii（F_ST, β = -0.0054）中。
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  水体的核心作用：水体的数量和配置对所有物种的遗传格局均有显著影响。水体配置在1500米尺度上与T. smithii的F_ST正相关（β = +0.0044）。水体数量在1000米尺度上与T. smithii的F_IS负相关（β = -0.0006）。在200米尺度上，水体配置与R. horribilis的Pa正相关（β = +2.0727），水体数量与S. baudinii的Pa正相关（β = +1.0976）。这表明密集分布的水体可能促进了局部区域的连通性，但也可能限制了与遥远种群的基因交流，反映了某种集合种群动态。

研究结论与意义

本研究通过多物种、多尺度的景观遗传学分析，揭示了人类改造环境中无尾两栖类遗传多样性与分化的关键驱动因子。主要结论包括：

1. 1.
   物种特异性响应：不同生活史特征的物种对相同景观压力的遗传响应存在差异，强调了在群落水平进行研究的重要性。
2. 2.
   景观配置与异质性的主导作用：相较于简单的土地覆盖面积，景观斑块的空间排列方式和整体异质性对遗传格局的解释力更强。
3. 3.
   水体的关键影响：作为两栖类繁殖和生存的必需资源，水体的数量及其空间配置对所有物种的遗传模式均具有重要且复杂的影响。
4. 4.
   尺度效应的复杂性：最佳解释尺度因物种和遗传指标而异，没有统一的模式，说明需要结合物种生物学特性进行多尺度分析。

这项研究的意义在于，它明确了在人类改造景观中维护两栖动物遗传多样性和连通性的关键景观特征。保护实践应优先考虑远离城市化区域的生境，特别关注水体附近植被斑块的配置，并维持景观异质性以促进不同种群间的连通性和局部生态过程的持续。该研究为制定针对性的两栖动物保护策略，尤其是在人类活动密集的热带地区，提供了坚实的科学依据。未来的研究需要扩展到更广的景观尺度，以理解跨区域和不同时间尺度的连通性动态。