基因组学揭示高山蜥蜴属Iberolacerta的进化：染色体融合与低氧适应研究

《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Lizards on a sky archipelago: Genomic approaches to the evolution of the mountain genus Iberolacerta

本研究针对高山蜥蜴属Iberolacerta的进化机制，通过染色体水平基因组组装和群体基因组分析，揭示了其高山隔离的遗传基础。研究人员发现该属物种经历多次染色体融合事件，形成独特的Z1Z2W性染色体系统，并鉴定出血红蛋白基因表达转换以适应高海拔低氧环境。研究结果为理解物种形成、适应性进化及濒危物种保护提供了重要基因组学证据。

　　

在欧洲西南部的山脉群岛上，生活着一类特殊的爬行动物——伊比利亚岩蜥属（Iberolacerta）。这些蜥蜴如同生活在天空群岛上的遗民，长期孤立分布于欧洲中部和西南部的多个山系。它们分布狭窄且片段化，多数种类特化于高海拔环境，这种高山禁锢特性使它们在气候变化背景下面临严重威胁，引起了多学科研究者的兴趣。

为何这些孑遗物种会被限制在高山环境？已有假说认为可能是由于竞争排斥——即被壁蜥属（Podarcis）排挤到高山，也可能是对寒冷或低氧的适应性进化阻止了它们向低地扩张。另一方面，染色体进化研究显示，伊比利亚岩蜥的核型与其他蜥蜴科物种存在显著差异：染色体数目减少，且具有多种性染色体决定系统。然而，由于缺乏高质量的基因组资源，限制了对这些现象背后遗传机制的深入理解。

为解答这些问题，研究人员在加泰罗尼亚地球生物基因组计划框架下，对濒危的奥雷利奥岩蜥（Iberolacerta aurelioi）进行了染色体水平基因组组装，并开展了群体基因组学研究。该研究近期发表在《Molecular Phylogenetics and Evolution》上，通过整合PacBio HiFi长读长测序、Hi-C染色质构象捕获和Illumina短读长测序数据，构建了高质量的参考基因组。同时，对涵盖该属所有物种和亚种的12个代表个体进行了中覆盖度全基因组重测序，通过系统基因组学、群体遗传学和比较基因组学方法，重建了该属的进化历史，揭示了基因渐渗模式、种群波动规律以及适应高海拔环境的遗传基础。

关键技术方法

研究首先利用PacBio HiFi长读长数据通过Hifiasm进行基因组组装，结合Hi-C数据进行染色体挂载，使用Illumina数据对组装结果进行抛光。利用GeMoMa、BRAKER2和转录组证据进行基因注释。群体分析包括：基于全基因组单核苷酸多态性（SNP）的主成分分析（PCA）和最大似然法系统发育重建；使用SNAPP进行时间校准的物种树推断；通过ABBA-BABA检验和f₄统计量检测渐渗事件；利用PSMC推断种群历史动态；通过杂合度和纯合片段（ROH）评估遗传多样性；采用MCscan进行宏观共线性分析以鉴定染色体重排；对血红蛋白基因进行表达分析和选择压力检测。

3.1 基因组组装

研究人员成功组装了奥雷利奥岩蜥的染色体水平基因组，大小为1.45 Gb，包含13条 scaffolds，占基因组总大小的98.05%。 scaffold N50和contig N50分别达到172.8 Mbp和71.4 Mbp。基因组完整性评估显示，93.2%的Sauropsida直系同源基因被完整检出。GC含量为43.65%，重复序列比例为35.09%。

3.2 系统基因组重建与渐渗模式

主成分分析和系统发育分析均支持伊比利亚岩蜥属分为四个主要支系：阿尔卑斯支系、比利牛斯支系、中央系统支系和西北伊比利亚支系。分化时间估算表明，该属的主要支系在中新世早期（约1605万年前）已经开始分化。ABBA-BABA检测发现在西北伊比利亚支系内部存在广泛的基因渐渗，特别是加兰尼岩蜥（I. galani）和马丁内斯岩蜥（I. martinezricai）之间存在显著的等位基因共享（约16.94%）。

3.3 遗传多样性、 demographic history与ROH分析

Demographic inference显示，阿尔卑斯和比利牛斯物种在上新世经历了严重的种群瓶颈，有效种群规模下降了63-77%，这与壁蜥属的多样化时期吻合。相比之下，西北伊比利亚和中央系统物种在更新世经历了种群扩张。遗传多样性分析表明，阿尔卑斯和比利牛斯物种的杂合度较低（平均H≈0.000643），且具有较高比例的ROH，特别是长ROH（>1 Mbp），表明近期近交现象严重。而西北伊比利亚和中央系统物种杂合度较高（平均H≈0.002357），ROH以短片段为主。

3.4 染色体重排

比较基因组分析揭示了伊比利亚岩蜥属显著的染色体进化特征。奥雷利奥岩蜥的单倍体染色体数为n=13，远低于蜥蜴科的祖先核型（n=19）。共鉴定出7次染色体融合事件，包括祖先Z染色体与唯一微染色体的融合，形成了新的Z₁染色体。比利牛斯支系物种表现出最低的染色体数目和独特的Z₁Z₂W性染色体系统。

3.5 血红蛋白进化

研究发现奥雷利奥岩蜥的血红蛋白基因簇在宏观共线性上高度保守，但在表达模式上发生了重要转变：具有增强氧亲和力的Hb α-A亚型的表达量比主要的Hb α-D亚型高约30%。选择分析表明，Hb α-A亚型在伊比利亚岩蜥中经历了显著增强的纯化选择，表明该亚型在适应高海拔低氧环境中具有重要作用。

研究结论与意义

本研究通过高质量的基因组资源和综合进化分析，揭示了伊比利亚岩蜥属独特进化历史的多个方面。研究支持竞争排斥和低氧适应共同导致该属高山禁锢的假说，但不同支系可能存在差异化的进化轨迹。阿尔卑斯和比利牛斯物种经历上古世瓶颈，可能与壁蜥属扩张相关，而西北伊比利亚物种在更新世呈现扩张-收缩模式。

染色体进化方面，多次罗伯逊融合事件导致染色体数目减少，Z₁Z₂W性染色体系统的独立起源可能促进了生殖隔离。这些染色体重排可能通过降低重组率促进了局部适应。血红蛋白表达转换（向高氧亲和力亚型倾斜）及选择压力增强，为高海拔适应提供了分子证据。

该研究不仅为理解高山物种形成和适应性进化提供了重要案例，生成的基因组资源也为这类濒危蜥蜴的保护管理提供了科学依据。特别是ROH分析揭示的近期近交风险，对制定保护策略具有直接指导价值。研究展示的基因组学方法为探讨物种适应性进化机制建立了可推广的研究框架。