日本壁虎属物种自然杂交研究揭示交配前后隔离机制的演化作用

本研究针对日本壁虎属(Gekko)物种间自然杂交现象，通过群体遗传学分析和统计建模，系统探讨了遗传距离与杂交频率的关系以及求偶叫声在生殖隔离中的作用。研究发现杂交频率随遗传距离增加而下降，而F1杂交体比例随遗传距离增加而上升，表明交配后隔离随遗传分化逐渐增强。研究为理解爬行动物物种形成机制提供了重要证据。

　　

在日本群岛的夜色中，壁虎属(Gekko)物种的求偶叫声构成了独特的声景。这些小型爬行动物在漫长的演化过程中形成了多种物种，但令人惊讶的是，不同物种之间存在着自然杂交现象。这种现象为进化生物学家提供了一个独特的研究窗口，用以探索物种之间生殖隔离机制的形成与维持。

目前已知日本境内分布有8种壁虎属物种，其中4对物种组合存在自然杂交的报道。早期的行为学研究显示，雄性个体发出的物种特异性求偶叫声可能在交配前隔离中发挥重要作用。然而，有些物种缺乏这种特异性叫声，导致了杂交现象的发生。尽管已有这些初步观察，但对于该物种群中隔离屏障形成的整体模式，尚未有系统性研究。

为了解决这一知识空白，研究人员对7个物种的8对组合进行了全面的杂交状况调查。研究团队采用微卫星标记和同工酶数据进行群体遗传学分析，并在系统发育框架下检验了杂交频率和F₁杂交体比例随遗传距离变化的规律。通过统计建模，评估了求偶叫声类型作为杂交存在/缺失决定因素的贡献。

本研究发表在《Zoologischer Anzeiger》杂志上，为了解壁虎属物种的生殖隔离演化机制提供了重要见解。研究结果表明，随着遗传分歧的增加，交配后隔离逐渐增强，这一发现与动物界其他类群中观察到的模式一致。同时，研究也对求偶叫声作为交配前隔离机制的传统观点提出了新的思考。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过野外采样获取日本各地7种壁虎属物种的样本；使用16个微卫星标记和30个同工酶位点进行基因分型；采用STRUCTURE和NewHybrids软件进行杂交检测和基因组成分分析；基于线粒体DNA和核基因RAG-1序列构建系统发育树并计算遗传距离；运用广义线性混合模型(GLMM)进行统计建模分析杂交特征。

3.1. 基于基因型数据的杂交检测和杂交性评估

结构分析(STRUCTURE)成功区分了本研究评估的7个壁虎物种。对于每个物种组合，Ln Pr(X|K)的平均值在预期的亲本物种数量处达到平台期，ΔK值最高，证实了只存在焦点物种的情况。

接触区和杂交特征显示，在分析的8对日本壁虎物种中，已知存在自然杂交的物种对从4对增加到6对。研究首次检测到了G. japonicus × Gekko sp. A 和 G. hokouensis × Gekko sp. A 的自然杂交。

具体而言，G. japonicus 和 G. tawaensis 之间存在偶尔的基因渗入杂交；G. japonicus 和 G. hokouensis 之间未检测到杂交个体；G. japonicus 和 Gekko sp. A 之间存在偶尔的基因渗入杂交；G. hokouensis 和 G. yakuensis 之间存在频繁且广泛的杂交；G. hokouensis 和 Gekko sp. A 之间存在偶尔的基因渗入杂交；G. yakuensis 和 Gekko sp. A 之间存在痕迹杂交；G. hokouensis 和 G. vertebralis 之间存在稀少杂交；而 G. hokouensis 和 Gekko sp. B 之间未发现杂交个体。

3.2. 遗传距离和物种系统发育

7个壁虎物种间的未校正p距离分析显示，所有物种组合中，Gekko vertebralis 和 Gekko sp. B 之间显示最小的p距离(16S rRNA = 0.0816; RAG-1 = 0.0025)。最大的p距离在G. japonicus 和 Gekko sp. B 之间(16S rRNA = 0.1908)以及G. japonicus 和 G. vertebralis 之间(RAG-1 = 0.0159)。

在杂交物种中，G. hokouensis 和 G. yakuensis 之间显示最小的p距离(16S rRNA = 0.1250; RAG-1 = 0.0058)。最大的p距离在G. japonicus 和 Gekko sp. A 之间(16S rRNA = 0.1862)以及G. japonicus 和 G. tawaensis 之间(RAG-1 = 0.0142)。

最大似然树(ML树)和贝叶斯推断树(BI树)显示了相同的拓扑结构，解决了7个壁虎物种的大部分进化枝。尽管Gekko sp. A的系统发育位置支持度较弱(SH-aLRT = 60%; BS = 61%)，但两个物种对(Gekko vertebralis 和 Gekko sp. B，以及G. hokouensis 和 G. yakuensis)的姐妹关系得到了特别好的支持。

3.3. 杂交体母本物种评估

基于12S rRNA基因的杂交个体和亲本物种的最大似然树分析显示，G. japonicus 和 Gekko sp. A 之间的两个F₁杂交体属于Gekko sp. A进化枝，而一个回交到G. japonicus 的个体属于G. japonicus进化枝。所有G. hokouensis 和 Gekko sp. A 之间的杂交体(三个F₁杂交体和三个回交到Gekko sp. A的个体)都属于Gekko sp. A进化枝。一个G. hokouensis 和 G. vertebralis 之间的F₂杂交体属于G. vertebralis进化枝。

3.4. 杂交特征的统计建模

模型选择结果显示，对于包含所有微卫星和同工酶数据的Dataset I，最佳模型不包括解释变量，呼叫类型在第二佳模型中被选择。对于包含所有微卫星数据和部分同工酶数据的Dataset II，呼叫类型在最佳模型中被选择。

两个数据集的平均模型显示出相同的趋势：p距离对杂交的存在产生负面影响，而图案化-无图案组合的呼叫类型对杂交产生正面影响。

在模型II中，两个数据集的结果显示相同的模式。p距离在所有三个顶级模型中都被选为解释变量，最佳模型的解释变量是p距离和呼叫类型。顶级模型的平均模型表明所有解释变量与杂交比例呈负相关，p距离具有统计显著性。

在模型III中，两个数据集的结果显示相同的模式。p距离被选为前三个模型的解释变量，最佳模型的解释变量是p距离 alone。前三个模型的平均模型表明所有解释变量与F₁杂交体比例呈正相关，p距离具有统计显著性。

本研究首次检测到了G. japonicus × Gekko sp. A 和 G. hokouensis × Gekko sp. A 的自然杂交，使已知存在自然杂交的日本壁虎物种对从4对增加到6对。研究发现物种间杂交比例与遗传距离呈负相关，这与蝾螈类(Caudata)和海星类(Forcipulatida)等其他动物类群中报道的模式相似。

这种模式反映了随着遗传分歧的增加，内在交配后隔离的加强，正如在双翅目(Diptera)、鳞翅目(Lepidoptera)、蜻蜓目(Odonata)、鱼类、蛙类和鸟类等各种动物谱系中所证明的那样。随着遗传距离的增加，F₂杂交体和回交杂交体相对于F₁杂交体的比例下降，表明杂交崩溃的强度随着遗传距离的增加而增加，这与Turelli和Orr(2000)的预测一致。

关于求偶叫声作为交配前隔离的假设，研究结果并未完全支持Jono(2016)的预测。呼叫类型组合在Dataset I的最佳模型中未被选择，而在Dataset II的最佳模型中被选择。这种差异可能部分是由于两个数据集中包含的本地样本差异以及即使在同一物种组合中不同地点杂交发生的不一致性。

研究还发现，图案化呼叫-图案化呼叫组合中存在的自然杂交，特别是Gekko sp. A 与 G. japonicus 和 G. hokouensis 之间的杂交，对呼叫类型作为杂交决定因素的解释力提出了挑战。线粒体DNA序列分析显示，这些杂交组合中的所有F₁杂交体都是通过雌性Gekko sp. A 与雄性G. japonicus 或雄性G. hokouensis 杂交产生的。

从分类学角度来看，研究证实了Gekko sp. B 与 G. hokouensis 在同域分布中存在生殖隔离，支持了其分类独立性。虽然Gekko sp. A 与周围地区的其他同类之间存在罕见杂交，但根据基因型簇物种定义，杂交的发生并不一定表明两个谱系属于同一物种。如果通过杂交崩溃等交配后隔离机制，杂交体逐渐从杂交种群中淘汰，两个谱系的独立性将得以保持。

本研究为了解日本壁虎属物种生殖隔离的进化过程提供了重要见解，揭示了遗传距离与杂交特征之间的量化关系，并对求偶叫声在交配前隔离中的作用提出了新的 perspectives。研究结果为理解爬行动物物种形成机制和生殖隔离演化提供了宝贵资料，也为未来研究Dobzhansky-Muller不相容性(Dobzhansky-Muller incompatibilities)的遗传机制奠定了基础。