蛙壶菌（Bd）影响下群居繁殖高山树蛙（Litoria verreauxii alpina）的遗传一夫一妻制与低繁殖偏斜——基于DArTseq SNP和COLONY的亲权证据

《Ecology and Evolution》：Genetic Monogamy and Low Reproductive Skew in a Disease-Impacted, Communal-Breeding Frog

　　

遗传交配系统塑造繁殖偏斜（reproductive skew）、配偶选择和有效种群大小（effective population size, N_e），但在许多群居繁殖（communal breeding）两栖动物中仍知之甚少。研究人员使用遗传亲权分析（genetic parentage analysis）检验高山树蛙（Litoria verreauxii alpina）的交配结构，该物种是受蛙壶菌（Batrachochytrium dendrobatidis, Bd）影响、以群居聚集方式繁殖的两栖动物。在为期6周的繁殖季内，研究人员记录了477次捕获事件，涉及197只独特成体，并观察了55个卵团。研究人员使用DArTseq衍生的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）标记和COLONY程序，重建交配对、评估雄性繁殖成功率并估计有效种群大小（N_e）。在至少1个胚胎成功基因分型的45个卵团中，97.7%具有明确父本指派，且每个具有多于1个基因分型胚胎的卵团均被指派给单一父本。仅1只采样雄性和1只推断雌性显示多配偶证据，表明尽管存在群居繁殖，交配结构以遗传一夫一妻制（genetic monogamy）为主。雄性繁殖成功率不由体型大小、重捕频率或繁殖季时间预测。有效种群大小较低，提示持续遗传脆弱性，但繁殖个体间相对均等的繁殖贡献可能有助于限制繁殖偏斜。这些发现与群居繁殖蛙的预期相反，后者中高繁殖场相遇率和雄性偏倚的到场可创造多配偶交配和不均等繁殖成功的机会。更广泛而言，这些结果表明遗传亲权数据可揭示受疾病影响两栖动物种群中意外的交配系统结构。

研究背景方面，遗传交配系统决定哪些个体繁殖、繁殖频率以及子代是否来自单一或多个配偶，进而影响繁殖偏斜、性选择、遗传多样性、适应潜力和有效种群大小（effective population size, N_e，指实际贡献基因给下一代的个体数量）。社会交配系统并不必然等同遗传交配系统，遗传分析可揭示更复杂或完全不同的结构。两栖动物交配系统高度多样，群居繁殖（communal breeding，指多个个体在同一繁殖场聚集繁殖）中高相遇率和雄性偏倚的到场通常被认为会增加多配偶交配和不均等繁殖成功的机会。高山树蛙（Litoria verreauxii alpina）在短繁殖季内于浅高山池塘密集群居繁殖，雄性到场明显偏倚，但其遗传交配系统尚未表征；同时，蛙壶菌（Batrachochytrium dendrobatidis, Bd）流行造成成体高死亡率、成体寿命缩短和世代重叠大幅减少，且雌性成熟晚于雄性，这些疾病相关种群结构变化可能改变配偶可得性和繁殖机会。因此，研究人员需要检验该群居繁殖、受疾病影响种群的实现遗传交配模式、繁殖输出季节变化和繁殖偏斜程度，并估计N_e以理解种群持续潜力。

研究人员于2018年繁殖季在澳大利亚维多利亚阿尔卑斯山约1600 m海拔的一处人工永久池塘（面积7.1 m²）开展6周每周采样，研究对象为该池塘的高山树蛙种群。研究结合照片识别、趾尖和卵团DNA、DArTseq SNP基因分型与COLONY全谱系似然亲权重建，重建交配对并评估雄性繁殖成功；同时用同胞关系结构估计N_e，并用广义线性模型（generalized linear model, GLM）和广义线性混合效应模型（generalized linear mixed-effect model, GLME）分析卵团数、每团卵数、每对总卵输出和雄性繁殖成功。研究得出，该种群以遗传一夫一妻制（genetic monogamy，此处指重建亲权模式而非社会一夫一妻）为主，繁殖偏斜较低，但N_e较低。其重要意义在于，遗传亲权数据揭示了群居繁殖蛙中意外的交配系统结构，并表明将交配结构、雄性繁殖成功、季节性繁殖分配和N_e联系起来，有助于评估受疾病影响野生动物的繁殖生态和遗传脆弱性。

关键技术方法概述（不超过250字）：样本队列来源于2018年繁殖季澳大利亚维多利亚阿尔卑斯山约1600 m海拔人工池塘的高山树蛙种群，6周每周采样，记录477次捕获事件、197只独特成体和55个卵团。研究人员以自然背部和腹股沟斑纹照片识别个体，首次捕获取趾尖，卵团取4枚卵并对其3枚进行基因分型；用DArTseq生成SNP标记并严格过滤；用COLONY进行全谱系似然亲权指派并估计N_e；用GLM/GLME分析繁殖输出和雄性繁殖成功。

研究结果如下。3.1 采样（Sampling）：通过6周捕获调查和卵团调查，研究人员记录477次捕获事件，涉及197只独特个体（179只雄性、18只雌性），并观察55个卵团，卵团大小约10—550枚卵。3.2 亲权分析（Parentage Analysis）：通过DNA提取、DArTseq SNP分型和COLONY亲权重建，成体DNA提取测序成功率为100%（197/197），卵为77.6%（128/165），其余41枚卵受Herbaspirillum属细菌污染；45个至少1枚卵成功测序的卵团中，97.7%（44/45）有明确父本，13.3%（6/45）有明确母本，2.2%（1/45）既无捕获父本也无捕获母本；24只捕获雄性被指派父权，其中13只父权对应1个卵团、6只对应2个、3只对应3个、1只对应4个、1只对应6个；在多枚卵成功基因分型的卵团内，所有采样卵均指派给同一父本，未发现多父本证据；N_e在随机交配假设下为43（95% CI：30—65），在非随机交配假设下为35（95% CI：23—55）。3.3 交配对（Mating Pairs）：通过亲权重建，45个基因分型卵团对应28个独特交配对；所有归于同一交配对的卵团均在同一周调查中发现且估计发育年龄相同；每周每对卵团数随繁殖季增加，从第1周中位数1（IQR=1—4）增至第5周中位数3（IQR=2—6），预期增加约138%（GLM：Week，β=0.216±0.097 SE，z=2.221，p=0.026）；每团卵数随周显著下降，第1周平均246.43枚（SD=169.40），第5周平均61.64枚（SD=26.42），下降约75%（GLME：Week，χ²₁=10.293，p=0.0013；随机效应交配对方差=0.3359±0.5796）；每对总卵输出不受周显著影响（GLME：Week，χ²₁=0.1823，p=0.6694；随机效应交配对方差=0.7201±0.8486），平均每对产239枚卵（范围18—768），分布于平均2.1个卵团（范围1—6）。3.4 雄性交配成功（Male Mating Success）：通过二项GLME分析，早期和晚期繁殖季成功父本比例相近（14.1%与14.0%），体型大小、重捕频率和繁殖季时间均不显著预测雄性繁殖成功（Week：χ²₁<0.001，p=0.983；SVL：χ²₁=0.009，p=0.967；Recaptures：χ²₁=0.003，p=0.949；随机效应个体方差=4436.00±66.61）；所有采样雄性平均SVL为32.7±1.72 mm，平均重捕2.5次（范围1—6）；仅1只捕获雄性被指派与多于1只雌性有子代，1只推断未捕获雌性与2只雄性关联；该雄性在第1、2、4周分别与3只不同雌性的卵团关联，并在第1、3周被捕获；该雌性被推断在第2、3周与2只不同雄性交配。

讨论部分总结：该研究最核心且意外的结果是，尽管高山树蛙在群居聚集、雄性偏倚到场和高相遇率条件下繁殖，重建亲权仍显示以遗传一夫一妻制为主，且繁殖偏斜较低；此处遗传一夫一妻制指重建的亲权模式，而非社会一夫一妻或排他性行为关联。研究受濒危物种采样限制，每卵团最多采样4枚卵，母系指派不完整，低水平未检测多父本仍可能存在；因此作者将遗传一夫一妻制解释为数据中占优势的重建亲权模式，而非所有社会配对均排他或完全不存在未采样多父本的定论。仅1只捕获雄性和1只推断雌性显示多配偶，属例外；重复捕获频率不预测雄性繁殖成功，说明长期到场未普遍转化为更高繁殖成功或更强繁殖偏斜。部分交配对对应多个空间上独立卵团，但这些卵团均在同一周调查中发现且发育年龄相近，更可能反映同一繁殖事件中卵的空间分配，而非重复交配，因此不冲突于总体遗传一夫一妻制格局。该格局的机制尚未解决，可能涉及雌性配偶选择、配偶可得性、繁殖场结构或偏倚的操作性别比。N_e为43，低于常与短期近交衰退和适应潜力下降风险相关的50阈值；低繁殖偏斜可能通过使繁殖贡献分散于多个雄性而缓冲遗传多样性丧失。季节性上，后期每对卵团数增加而每团卵数下降、每对总卵输出保持稳定，提示繁殖输出从空间上分散为更多更小卵团，而非总繁殖投入增加，符合空间 bet-hedging（风险分散）解释；原文认为最可能的选择压力是季节性池塘干涸，池塘虽永久但繁殖季内持续失水，并受道路维护和越野休闲干扰，早期融雪和降雨形成理想产卵条件而水位随后下降；此外，早期卵团检出Herbaspirillum感染，病原风险也可能促进空间风险分散。雄性体型和重捕频率不预测繁殖成功，与许多蛙类中体型重要的情况不同；原文提示雌性配偶选择可能依赖其他行为或生理线索，且Bd感染可改变雄性高山树蛙体色，可能影响雌性选择。更广泛而言，该研究显示遗传亲权分析可揭示两栖动物中意外的交配系统结构；通过联系交配结构、雄性繁殖成功、季节性繁殖分配和N_e，结果突显整合行为生态学与遗传数据评估受疾病影响野生动物繁殖的价值；尽管保护应用不是主要焦点，结果提示在繁殖季维持多个可行产卵点可能有助于保存繁殖机会并支持受疾病影响高山蛙种群的繁殖贡献变异。

研究结论（译）：更广泛而言，本研究显示，遗传亲权分析能够揭示两栖动物中意外的交配系统结构，包括那些社会繁殖生态可能创造多配偶交配和繁殖偏斜机会的物种。通过将交配结构、雄性繁殖成功、季节性繁殖分配和有效种群大小联系起来，这些结果突显了在评估受疾病影响野生动物种群的繁殖时整合行为生态学与遗传数据的价值。尽管保护应用不是本研究的主要焦点，结果也提示，在整个繁殖季维持多个可行产卵点可能有助于保存繁殖机会，并支持受疾病影响高山蛙种群中繁殖贡献的变异。