基因组分析揭示濒危夏威夷特有蝴蝶种群遗传结构对保护策略的启示

本研究针对夏威夷特有濒危蝴蝶Vanessa tameamea种群衰退问题，通过HiFi+HiC测序完成染色体级别基因组组装，结合ddRAD技术开展全范围种群遗传分析。研究首次发现该物种存在基于地理隔离的种群分化（ Kaua?i、中央岛屿群和Hawai?i三大群体），鉴定出99个与环境适应性相关的SNPs，为制定精准保护策略提供了关键分子依据。

　　

在遥远的太平洋群岛，进化生物学家们长期被岛屿环境中的物种分化模式所吸引。夏威夷群岛作为孤立的火山岛链，为研究物种形成和适应性辐射提供了天然实验室。这里栖息着大量特有物种，其中99%的昆虫为特有物种，但正面临极高的灭绝风险。在这些独特的生物中，夏威夷金斑蝶（Vanessa tameamea，夏威夷语称为"pulelehua"）作为该群岛仅有的两种原生蝴蝶之一，正经历着种群数量急剧下降的危机。

长期以来，科学界普遍认为Vanessa tameamea是一个遗传同质的广布种群，主要依据是该类蝴蝶具有较强的飞行能力（high vagility），理论上能够在不同岛屿间进行基因交流。然而，这种假设从未经过分子证据的验证。与此同时，栖息地破碎化导致其寄主植物（主要为荨麻科的Pipturus albibus和Touchardia oahuensis）数量减少，人工繁殖放归计划因捕食压力过高而失败，使得这一物种的保护面临严峻挑战。如果实际上存在隐藏的种群遗传结构，那么现有的保护策略可能无法有效保护该物种的遗传多样性。

为了解决这一科学问题，由美国农业部农业研究服务局热带害虫遗传学与分子生物学研究单位牵头的研究团队，在《Conservation Genetics》上发表了这项开创性的研究。研究人员综合运用了PacBio HiFi长读长测序和HiC染色体构象捕获技术完成了参考基因组组装，通过ddRAD（double-digest restriction-site associated DNA）测序技术对来自5个主要岛屿的80个个体进行群体遗传分析，并采用多种生物信息学方法（DAPC、Structure、Bayescan、SNAPP等）解析种群结构和进化历史。

关键技术方法包括：从5个主要岛屿采集80个野生个体进行ddRAD测序；使用PacBio HiFi和HiC技术完成染色体级别基因组组装；通过DAPC（判别分析主成分）和Structure分析种群结构；利用Bayescan检测选择信号；采用SNAPP和Treemix推断系统发育关系和基因流模式。

研究结果方面，基因组特征显示女性组装包含30条常染色体、Z和W染色体，总长363.368 Mb，男性组装为356.488 Mb，差异约6.88 Mb对应W染色体大小。BUSCO评估显示基因组完整性达98.8%。

种群遗传分析揭示了意想不到的分化模式：DAPC分析识别出三个明显集群——Kaua?i单独成群，Hawai?i岛形成第二个群体，而Maui、Moloka?i和O?ahu三个中央岛屿组成第三个群体。 pairwise F_ST 值显示Kaua?i与其他种群分化最显著（与Hawai?i的F_ST最高），中央岛屿间的分化最小。

选择信号分析通过Bayescan鉴定出99个处于分化选择中的SNPs，其中70个与DAPC主要分化轴或Kaua?i私有等位基因相关。这些SNPs可能涉及化学抗性（应对寄主植物防御或人类活动引入的化学物质）、颜色模式和代谢等相关基因。

系统发育与群体历史分析方面，SNAPP和Treemix分析一致支持"前进规则"（progression rule）模式：Kaua?i种群最先分化，其次是Hawai?i与中央岛屿的分化。Dadi模型比较支持古代基因流的存在，最佳模型（Model 3）包含祖先迁移事件。Treemix检测到从Kaua?i向中央岛屿（特别是O?ahu）的迁移信号。

研究结论表明，与先前假设相反，Vanessa tameamea确实存在基于地理隔离的种群遗传结构，表现出类似其他夏威夷陆生节肢动物的分化模式。Kaua?i作为最古老岛屿（约500万年），保存了最独特的遗传谱系，可能最接近祖先状态。种群分化可能由距离隔离（Kaua?i与O?ahu间海峡较宽）和局部适应共同驱动，特别是对寄主植物化学防御的适应性进化。

讨论部分强调，这一发现对保护管理具有重要启示：需要制定种群特异性的保护策略，特别关注Kaua?i种群的独特遗传组成。非致命性取样（腿部DNA提取）的可行性为濒危物种监测提供了新途径。未来研究需要结合雷达遥感等新技术量化实际迁移率，深入解析选择信号的功能意义，并评估气候变化对种群持久性的影响。

这项研究不仅修订了对夏威夷金斑蝶进化历史和种群结构的认识，也为岛屿物种保护提供了科学范式——即使对于高迁移能力的物种，地理隔离和局部适应仍可能驱动遗传分化，强调保护生物学家需要采用分子工具来揭示隐藏的生物多样性，从而制定更有效的保护策略。