利用单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNP）推断长期受慢性消耗病（Chronic Wasting Disease, CWD）影响地区白尾鹿（Odocoileus virginianus）的地理起源

《Ecology and Evolution》：Inferring Geographic Origin of White-Tailed Deer (Odocoileus virginianus) Using Single Nucleotide Polymorphisms in a Region Experiencing Long-Term Effects of Chronic Wasting Disease

　　

慢性消耗病（Chronic Wasting Disease, CWD）是一种传染性、100%致死的疾病，影响北美鹿科动物（cervids）。白尾鹿（Odocoileus virginianus）是该病最丰富的宿主，该物种的自然移动或人为介导移动被认为是CWD传播的主要驱动因素。推断CWD阳性个体的地理起源有助于识别疾病传播的源–汇动态（source–sink dynamics）和胴体的人为转移（anthropogenic translocation）。研究人员探索了两种推断野生白尾鹿起源的方法：（1）遗传结构推断与分类分配检验（categorical assignment tests）相结合；（2）基于测试基因型与参考基因型之间的比较，使用连续分配方法（continuous assignment methods；SPA和LOCATOR）推断起源坐标。研究人员分析了使用新近开发的单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNP）面板进行基因分型的1749个样本，保留了>63,000个标记。遗传结构分析识别出四个、五个或十个聚类，不同分析间基因流屏障（barriers to gene flow）一致，并可由景观特征解释。研究人员使用十聚类配置进行分类分配检验，但这些检验表现出低至中等性能（各聚类间分配准确率为41%至100%，平均为71%）。SPA在推断起源方面产生高水平不准确性。相反，LOCATOR将大多数个体（82%）分配到距其采样坐标<50 km的起源。鉴于该物种的生活史特征（例如，扩散能力、世代重叠、多配性），这种准确性水平表明连续分配检验可能是野生动物管理者的有价值工具。此外，推断出的遗传结构可为管理单元（management units）的划定提供信息，并对种群控制和传染性疾病缓解具有意义。

论文解读：利用SNP推断长期受CWD影响地区白尾鹿地理起源

野生动物管理需要定义实施不同法规、监测活动或疾病控制行动的管理单元。实际划定常依据行政边界、地形、基础设施或公众意见，难以反映真实生物结构，可能将一个生物群划分为多个小管理单元，从而造成监测评估误差。遗传分析可揭示相对隔离并作为独立人口学单元发挥作用的遗传聚类，为管理单元划定提供参考。美国有蹄类管理地位突出，当代鹿管理尤其强调控制慢性消耗病（Chronic Wasting Disease, CWD）。CWD是传染性、100%致死的朊病毒病，自近60年前在科罗拉多圈养设施首次发现后，已扩散至37个州、加拿大4省和斯堪的纳维亚3国的自由放养鹿科动物。白尾鹿是北美最常见鹿种和CWD主要宿主，其自然或人为介导移动被认为是CWD传播主要驱动因素。管理依赖种群减少、监测和限制鹿体部分移动。确定CWD阳性鹿来源对疾病管理至关重要。遗传分配检验通过比较参考样本推断个体来源；此前用微卫星在中部大西洋地区进行的分类分配准确率有限。新近开发的单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNP）面板可分析成千上万个标记，可能提高分辨率并支持连续分配。研究人员目的为利用SNP评估中部大西洋地区白尾鹿遗传结构及分配检验准确性，预测SNP可提供更详细遗传结构、更准确分类分配和正确连续地理起源推断。

研究人员纳入1920份2014—2022年来自马里兰、纽约、俄亥俄、宾夕法尼亚和弗吉尼亚的野生白尾鹿组织样本，来源包括猎人收获、路杀、其他研究捕获和疾病监测。基因分型和质量控制后保留1754个样本、63834个SNP，剔除5个无位置样本，最终分析1749个。样本坐标精度不一：894个GPS坐标、42个一英里网格中心、579个镇中心、234个县中心。遗传结构分析识别4、5或10个聚类，屏障在不同分析间一致且可由景观解释。分类分配平均准确率71%，范围41%—100%。SPA不准确；LOCATOR将82%个体分配至距采样坐标<50 km的起源。研究人员认为，鉴于白尾鹿生活史特征，LOCATOR连续分配可为野生动物管理者提供有用工具；遗传结构可指导管理单元划定。意义在于帮助识别CWD来源、源–汇动态和人为转移，并辅助种群控制与疾病缓解。

主要关键技术方法不超过250字概括：样本队列来源为2014—2022年MD、NY、OH、PA、VA的野生白尾鹿，来自猎人收获、路杀、研究捕获和机构监测；最终1749个样本，坐标含GPS、一英里网格、镇中心和县中心。基因分型采用Axiom OVSNP60 Genotyping Array，PLINK进行缺失率和次要等位基因频率质控，保留63834个SNP。遗传结构分析包括主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）、判别主成分分析（Discriminant Analysis of Principal Components, DAPC）、sNMF/STRUCTURE-like、fastStructure和TESS3R；分类分配使用ASSIGNPOP支持向量机（support vector machine, SVM）；连续分配使用SPA和LOCATOR，并采用留一法，以推断坐标与采样坐标间的欧氏距离评估。

3.1 遗传变异的地理分布。PCA前两个主成分共解释38.9%总方差，样本分布松散反映地理来源。纽约样本主要在右上，俄亥俄在左，宾夕法尼亚分散，弗吉尼亚和马里兰在右下。k-means提示5—8个聚类，保守选择K=5；DAPC也得到五个聚类，模式相似。STRUCTURE-like分析选择K=10，空间插值与DAPC相似，显示俄亥俄、宾夕法尼亚阿巴拉契亚高原与谷岭省交界、南中部宾夕法尼亚等屏障。fastStructure简单先验选择K=4，边界与上述一致；逻辑先验选择K=20但仅一个成分解释，结果不确定。TESS3R无平台，K>5时个体成员值<0.5，也视为不确定；K=5模式与DAPC相似。结论：不同方法识别四个、五个或十个聚类，基因流屏障一致且可由景观特征解释。

3.2 分类分配。研究人员以STRUCTURE-like十聚类为基，将成员值≥0.6个体作为最佳代表参考，其余为测试。Monte-Carlo交叉验证对最佳代表分配准确率100%，无论参考个体比例或位点比例。全数据测试时平均准确率71%，各簇41%—100%。结论：分类分配对野生白尾鹿地理起源推断性能低至中等，不适合作为主要方法，因存在大量混血个体。

3.3 连续分配。SPA分析202个样本后推断位置与采样位置极远，故未继续考虑。LOCATOR平均推断起源与采样位置距离29.9 km，1435个样本（82%）被分配至<50 km。剩余314个中156个（49.7%）为县中心坐标样本，其真实起源可能更近。8个个体推断起源>150 km，其中两个同项目同采样位置，可能为采样坐标错误。结论：LOCATOR对大多数个体给出高精度连续地理起源，适用于野生白尾鹿。

讨论总结。讨论指出，GPS或VHF项圈研究可提供详细移动数据，但受研究区域限制；遗传分析虽分辨率较低，却适合跨州或区域追溯个体来源并辅助管理单元划定。遗传结构被认为限制疾病传播，因基因流和疾病传播均依赖动物移动。准确密度估计需空间单元反映种群分布和移动，基于遗传结构划分人口学单元可改善密度估计和管理评估，并识别CWD可能自然传播区域。不同方法簇数不同源于遗传结构层级性，高K是大簇细分，屏障位置一致。空间贝叶斯方法TESS3R可能高估聚类数。SNP比微卫星分辨率高：此前微卫星仅检测两簇，本研究非空间贝叶斯方法推断四和十簇，DAPC一致。十簇用于分类分配；其地理范围受插值限制，尤其在采样不足区域。屏障与景观特征相符：宾夕法尼亚Allegheny Front、纽约Hudson河和I-87、俄亥俄I-75、南宾夕法尼亚—北马里兰I-70/81/83、Susquehanna河等。CWD传播含义：纽约从宾夕法尼亚自然传入可能到达深绿区域，东传除非经北部弱屏障；俄亥俄检测位于I-75以东，向西自然扩展可能性低；宾夕法尼亚多处阳性检测不太可能由自然跨越屏障造成，需研究人为传播。分类分配仅对高成员个体准确，含混血时不适合。圈养鹿连续分配有局限，因非自然空间关系。SPA因遗传结构不能捕捉多峰而不准确；LOCATOR更灵活，能学习非线性关系。研究限制：部分样本坐标不精确，缺乏真实起源，但82%<50 km、平均29.9 km，考虑空间范围和白尾鹿出生扩散、世代重叠，研究人员认为LOCATOR高度准确。研究结论翻译：考虑到研究区空间范围、缺乏个体真实起源信息以及白尾鹿的出生扩散和世代重叠等特征，研究人员认为LOCATOR获得的连续分配高度准确，平均29.9 km，多数鹿被分配到距采样地<50 km的起源，因此可用于推断野生白尾鹿地理起源。为研究人员或机构提供大空间范围采集样本的位置和基因型，可为识别野生鹿真实地理起源提供宝贵资源。