养殖黄喉拟水龟（Mauremys mutica）全基因组重测序揭示其遗传多样性与种群遗传结构特征

《Aquaculture Reports》：Genetic diversity and population structure of the Asian yellow pond turtle ( Mauremys mutica)

为探究养殖黄喉拟水龟（Mauremys mutica）的遗传多样性与种群结构，研究人员对采集自中国六个地区八个养殖场的180个个体进行了全基因组重测序，共鉴定出2,072,663,419个单核苷酸多态性位点（SNPs）。遗传多样性参数分析显示，整体多样性水平相对较低：核苷酸多样性（π）范围为0.00289至0.00363，观测杂合度（Ho）为0.107至0.159，多态信息含量（PIC）为0.102至0.128。近交系数（FHOM）介于0.148至0.367之间。种群遗传分析表明，各养殖群体间存在中等程度的遗传分化（遗传分化指数Fst范围为0.0007至0.1265），同时存在历史性或持续性的基因流证据（Nm范围为1.7263至356.8929）。系统发育分析和主成分分析揭示了浅层的种群结构与广泛的遗传混合，反映了数十年来人为介导的种源交换。这项对圈养M. mutica的首次全基因组特征描述，为种质资源保护与管理提供了关键的基础数据，并为这一经济重要但遗传资源匮乏的物种的可持续养殖策略提供了基因组学见解。

论文解读

一、研究背景与科学问题

黄喉拟水龟（Mauremys mutica）隶属于龟鳖目（Testudines）、地龟科（Geoemydidae）、拟水龟属（Mauremys），是一种在东亚地区具有重要生态、经济和文化价值的淡水龟类。其自然分布范围历史上覆盖中国长江以南各省、海南岛、越南及日本。该物种因其优雅的体态和温和的性情，自古以来被视为吉祥与长寿的象征，同时也是培育观赏性“绿毛龟”的核心基龟。此外，黄喉拟水龟具有高蛋白、低脂肪的营养特性以及增强免疫力的药用价值。

然而，近年来受全球变暖、生态环境退化、栖息地持续萎缩以及人类过度捕捞和非法贸易等多重因素的综合影响，该物种的野生种群在其大部分自然分布区内已严重枯竭。黄喉拟水龟目前被世界自然保护联盟（IUCN）红色名录列为极度濒危（Critically Endangered）物种，并已被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）附录II。现有证据表明，能够自我维持的野生种群已极为罕见，该物种的存续目前主要依赖人工养殖种群。圈养繁殖种群已成为维持该物种种质资源的主要来源，人工繁育产业化的发展使其成为亚洲龟类贸易中流通量较大的经济物种之一。

自20世纪70年代以来，为促进黄喉拟水龟种质资源的保护与开发，中国从业者逐步开展了人工繁育和驯化实践。2005年起，随着大量资本涌入，黄喉拟水龟产业进入快速发展期，苗种价格一度攀升至每只250元；2007年至2015年间，养殖规模急剧扩张，市场投机盛行，苗种价格一度非理性飙升至每只800元。然而自2016年起，前期积累的产业泡沫破裂，苗种价格大幅下跌。经过这一市场周期的剧烈波动后，当前黄喉拟水龟产业已逐步摆脱狂热的资本炒作模式，回归特种养殖产业本质，进入标准化和科学化发展阶段。

尽管圈养繁育产业逐步规范化，但圈养黄喉拟水龟群体的遗传状况仍不清楚，这对养殖体系的长期可持续发展和种质资源的有效保护构成了潜在风险。此前关于黄喉拟水龟遗传多样性的研究多集中于部分分子标记（如微卫星），缺乏全基因组水平的综合评价。该物种数十年的圈养繁育历史——以有限的奠基种群、养殖场间间歇性的亲本交换以及工业化早期缺乏系统系谱管理为特征——可能导致显著的遗传后果，包括奠基者效应、遗传多样性丧失、近交积累以及不同遗传谱系间的人为混合。这些因素共同凸显了开展圈养群体全基因组特征描述以支撑循证种质管理和养殖策略的迫切性。

二、研究内容与主要结论

为填补圈养黄喉拟水龟群体全基因组水平研究的空白，并为种质资源保护和产业可持续发展提供科学支撑，本研究从中国六个地区的六个圈养繁殖群体中选取了180个个体进行全基因组重测序。通过整合多种分析方法，包括遗传多样性指标（核苷酸多样性π、近交系数F_HOM、多态信息含量PIC、观测杂合度H_o）、主成分分析（PCA）、系统发育重建和群体遗传结构分析，系统表征了六个圈养群体的遗传多样性水平、群体遗传分化模式和基因交流状况。

研究结果显示，六个圈养群体的整体遗传多样性较低：核苷酸多样性（π）范围为0.00289至0.00363，观测杂合度（H_o）为0.107至0.159，多态信息含量（PIC）为0.102至0.128。近交系数（F_HOM）介于0.148至0.367之间，其中茂名（MM）群体近交水平最高（0.367），四会（SH）群体次之（0.357），而上饶（SR）群体最低（0.148）。群体间遗传分化指数（F_st）范围为0.0007至0.1265，表明存在中等程度的遗传分化；基因流（N_m）估计值范围为1.7263至356.8929，表明群体间存在历史性或持续性的基因交流。ADMIXTURE分析确定最优K值为4，系统发育树显示个体主要聚为两大支系且各支系包含来自不同群体的个体，主成分分析中PC1解释了31.92%的遗传方差。这些结果共同表明圈养黄喉拟水龟群体存在浅层的种群结构和广泛的遗传混合，反映了数十年来人为介导的种源交换。

本研究首次对圈养黄喉拟水龟进行了全基因组特征描述，为种质资源保护与管理提供了关键的基础数据，并为这一经济重要但遗传资源匮乏的物种的可持续养殖策略提供了基因组学见解。

三、关键技术与方法

研究人员从中国广东省和江西省的六个养殖场采集了180个黄喉拟水龟成年个体样本（每个群体30个），采样地点包括广东高要（GY）、江西上饶（SR）、广东东莞（DG）、广东广州（GZ）、广东茂名（MM）和广东四会（SH）。采用微创趾甲剪取法采集组织样本，使用MGIEasy基因组DNA提取试剂盒提取总基因组DNA。在DNBSEQ平台上进行全基因组测序，共产生2659.95Gb的清洁测序数据，平均每个个体14.78Gb，平均测序深度5.41X。使用SOAPnuke进行数据过滤，通过BWA-MEM2将清洁读段比对至黄喉拟水龟参考基因组（NCBI登录号：GCF_020497125.1），使用GATK（v4.6.2.0）进行SNP检测和过滤。遗传多样性参数使用PLINK v1.90和VCFtools v0.1.17计算，群体遗传结构通过ADMIXTURE（v1.3.0）、主成分分析（PCA）和邻接法（NJ）系统发育树进行分析。

四、研究结果

3.1 重测序数据质量与参考基因组比对

研究人员对180个个体进行了全基因组重测序，共产生2659.95Gb的清洁测序数据，平均每个个体14.78Gb，平均测序深度5.41X。Q30分值范围为92.17%至94.51%，GC含量为43.71%至44.30%。清洁读段比对至参考基因组后，每个样本的高质量读段数为84.26至109.61百万条，平均比对率为99.83%至99.91%，平均测序深度为4.60X至5.99X，每个个体基因组覆盖率为85.27%至87.70%。

3.2 SNP变异检测与统计分析

SNP位点统计评估显示，东莞（DG）群体含有最多的SNP，总计15,347,661个，其次为高要（GY）群体（14,480,081个）和上饶（SR）群体（10,757,076个）。茂名（MM）群体的SNP位点数量最低，为8,214,170个。纯合SNP比例范围为38.38%至59.32%，其中四会（SH）群体纯合比例最高（59.32%），上饶（SR）群体最低（38.38%）。

3.3 群体遗传多样性

六个群体的核苷酸多样性（π）比较显示，高要（GY）群体具有最高的核苷酸多样性水平（π=0.00363±0.00188），广州（GZ）群体次之（π=0.00358±0.00167），上饶（SR）群体最低（π=0.00289±0.00172）。近交系数（F_HOM）方面，上饶（SR）群体最低（0.148±0.136），茂名（MM）群体最高（0.367±0.123）。多态信息含量（PIC）方面，高要（GY）群体最高（0.128±0.147），上饶（SR）群体最低（0.102±0.147）。观测杂合度（H_o）方面，上饶（SR）群体最高（0.159±0.0260），四会（SH）群体最低（0.107±0.0173）。群体间F_st范围为0.0007至0.1265，N_m值范围为1.7263至356.8929，表明群体间存在广泛的基因交流。

3.4 遗传结构分析

ADMIXTURE分析中，交叉验证误差在K=4时达到最小值，表明研究的黄喉拟水龟群体可分为四个不同的祖先遗传组分。广州（GZ）群体以单一颜色为主导，反映其均一的遗传背景；茂名（MM）群体呈现多色混合模式，表明其与上饶（SR）或东莞（DG）群体发生过基因交换；高要（GY）群体显示出独特的遗传特征，可能归因于地理隔离导致的生殖隔离；东莞（DG）群体中部分个体与四会（SH）群体存在遗传混合。

3.5 遗传关系与主成分分析

系统发育重建结果显示，所有个体主要聚为两个大的支系，每个支系进一步分为两个亚支系，表明群体可能源自两个主要的祖先谱系。然而，未观察到群体特异性支系，各支系包含来自不同群体的混合个体，同一群体的个体散布在不同分支上。主成分分析中，PC1解释了31.92%的遗传方差，沿PC1方向茂名（MM）和上饶（SR）群体与其他群体略有分离；PC2解释了5.42%的方差，东莞（DG）、四会（SH）和高要（GY）群体紧密聚集；PC3贡献了4.40%的方差，上饶（SR）和四会（SH）群体表现出中等程度的分离。

五、讨论与结论

讨论部分总结：

关于圈养群体遗传多样性较低的问题，高要（GY）群体表现出最高的核苷酸多样性和多态信息含量，这可能归因于该群体是由农业农村部热带亚热带鱼类遗传育种国家中心维护的专属保护群体，在长期标准化的封闭式育种体系下实施了科学的系谱管理和配种策略。上饶（SR）群体虽然核苷酸多样性和多态信息含量最低，但观测杂合度最高且近交系数最低，这种看似矛盾的模式可能由近期混合或种源混杂解释——若来自遗传分化源群体的个体近期被引入上饶（SR）群体，杂合度的增加反映了个体位点上分化等位基因的混合，但并未立即提高整体核苷酸多样性。茂名（MM）和四会（SH）群体近交水平最高，茂名是中国黄喉拟水龟人工繁育的历史发源地，产业可追溯至20世纪80年代，高近交可能反映了数十年来有限奠基种群和早期缺乏系谱管理的封闭式育种。与其他淡水龟类相比，圈养黄喉拟水龟的遗传多样性相对较低，可能归因于其更长的圈养繁育历史、较小的初始奠基种群以及缺乏野生种群补充。

关于群体遗传结构，成对F_st值表明多数群体对间遗传分化较低，可能反映了共享祖先、共同奠基来源、产业快速扩张期（2005-2015年）的历史性种源混合以及养殖场间持续进行的亲本交换。ADMIXTURE确定的K=4与NJ树中的两个主要支系并不矛盾，而是反映了不同的分析视角：ADMIXTURE对细微的混合比例敏感，而NJ树代表个体间的整体成对遗传距离。综合这些互补分析，圈养黄喉拟水龟群体可能源自至少两个深层祖先谱系，随后的混合产生了多达四个可检测的祖先组分。

关于育种管理的实践意义，茂名（MM）和四会（SH）群体较高的近交系数对水产养殖业尤为令人担忧，F_HOM值超过0.35表明这些群体存在近交衰退的实质性风险。研究人员建议：（1）在遗传分化较低的养殖场间建立每代5%-10%的最低亲本交换率；（2）实施基于分子亲本分析的系统系谱记录，避免近亲交配；（3）每2-3个世代轮换群体间的繁殖雄龟；（4）优先将高要（GY）群体作为高近交群体的遗传拯救种质库。

研究结论：

本研究首次对圈养黄喉拟水龟进行了全基因组特征描述，识别了遗传多样性和群体结构的关键模式，为保护和管理提供了信息支持。对于野生种群已灭绝的淡水物种而言，圈养种群是种质资源的唯一储存库，其遗传健康对于未来潜在的野生种群恢复至关重要——如果在其历史自然分布区内实施栖息地恢复和保护，黄喉拟水龟的野生种群恢复目标仍然可行。