野生和ex situ猎豹（Acinonyx jubatus）种群中精子相关有害突变的过度代表

《Molecular Ecology》：Over-Representation of Sperm-Associated Deleterious Mutations Across Wild and Ex Situ Cheetah (Acinonyx jubatus) Populations

　　

随着纯化选择（purifying selection）效率降低和近交（inbreeding）增加，小种群常会积累更多全基因组有害突变（deleterious mutations）。反映这一模式，研究人员先前已在猎豹（Acinonyx jubatus）中鉴定出与生育力和免疫相关的基因中的有害突变，该物种有效种群大小（effective population size, N_e）至少在过去10,000年中一直很低。然而，猎豹种群中有害突变的分布目前尚不清楚。本研究分析了来自30只迁地（ex situ）和9只野生猎豹的新型全基因组重测序数据。研究人员调查了遗传多样性、近交的基因组度量以及有害突变在猎豹种群中的分布。南苏丹和坦桑尼亚猎豹显示出更高的近交水平和实现负荷（realised load），而纳米比亚猎豹具有更高比例的特有有害突变。含有高或中等影响有害突变的基因显著富集于精子相关功能，揭示了可能与猎豹精子质量差相关的假定因果位点（putative causative loci）。与野生猎豹相比，迁地猎豹表现出相似的遗传多样性和近交水平，这为迁地种群的圈养繁殖计划（captive breeding programmes）在维持遗传变异方面的有效性提供了经验证据。

论文解读文章

研究背景与问题：猎豹（Acinonyx jubatus）在过去至少10,000年间经历了严重的种群衰退，导致有效种群大小（N_e）持续偏低，并表现出近交衰退相关表型，包括精子质量差、免疫力下降等。尽管已有研究在猎豹中鉴定出与生育力和免疫相关的有害突变，但这些突变在不同种群（野生与迁地）间的分布模式尚不清楚。迁地种群（如美国动物园圈养群体）常通过近交最小化策略管理，但可能因奠基者效应和放松的自然选择而积累有害变异。此外，迁地种群与野生种群的遗传多样性是否一致，以及有害突变对精子功能的潜在影响，均未得到全基因组层面的解析。因此，研究人员旨在通过全基因组测序比较迁地与野生猎豹的遗传结构、近交水平和有害突变负荷，为保护管理提供基因组依据。

研究人员开展的研究与结论：研究人员对30只美国迁地猎豹和9只野生猎豹（南苏丹、坦桑尼亚、纳米比亚）进行全基因组重测序，结合已发表数据，分析了遗传多样性、近交指标（F_IS、F_ROH）、有害突变分布及功能富集。主要结论：南苏丹和坦桑尼亚猎豹的近交程度和实现负荷（homozygous deleterious mutations）较高，而纳米比亚猎豹拥有更高比例的特有有害突变，且这些突变显著富集于精子相关基因。迁地种群与野生种群在遗传多样性和近交水平上无显著差异，表明圈养管理有效维持了遗传变异。研究发表于《Molecular Ecology》。

关键技术方法：研究人员采用全基因组重测序，对39只猎豹（30只美国迁地、2只南苏丹野生，整合7只已发表野生个体）进行测序，平均深度4.2–18.5×。使用BWA-MEM比对至参考基因组（VMU_Ajub_asm_v1.0），GATK进行变异检测与硬过滤。运用PLINK计算亲缘关系（KING算法），PCA和ADMIXTURE分析种群结构，RAxML-NG构建系统发育树。通过VCFtools和ANGSD计算遗传多样性（π、F_IS、Tajima's D），RZooRoH识别纯合片段（ROH），SnpEff预测变异功能影响，ShinyGO进行基因本体（GO）富集分析。

研究结果：

3.1 QC, Mapping and Variant Calling：通过质控和比对，成功获得高质量变异数据，共提取4,025,387个双等位SNP，平均比对率>98.9%。

3.2 Kinship：通过KING算法计算亲缘系数，确认了迁地种群中已知家族关系（如亲子和全同胞），并据此移除了8个近亲个体用于后续分析。

3.3 Population Structure and Genetic Diversity：PCA和ADMIXTURE显示美国迁地种群与纳米比亚野生种群聚类（F_ST=0.038），南苏丹和坦桑尼亚种群遗传分化较高（F_ST=0.175）。遗传多样性方面，南苏丹种群具有最高的近交系数（F_IS）和F_ROH（>1Mb平均0.111），而迁地种群与野生种群在观察杂合度（H_O）和核苷酸多样性（π）上无显著差异。Tajima's D在全部种群中均为正值，支持历史瓶颈效应。

3.4 Deleterious Variants：SnpEff预测598个高影响和16,952个中等影响SNP。GO富集分析显示，含有高影响SNP的基因显著富集于纤毛和精子鞭毛的生物过程（如“cilium movement”）。纳米比亚种群拥有最高比例的特有高影响SNP，而南苏丹和坦桑尼亚种群的实现负荷（homozygous deleterious SNPs）最高，但差异未达显著。此外，在先前报道的65个提前终止密码子（PTC）中，36个为参考基因组特有，23个在所有样本中固定，一个在FHL5基因中仅见于8只迁地个体。

总结讨论与结论：讨论部分指出，迁地种群与纳米比亚野生种群遗传相似性支持其起源自南部非洲。迁地种群表现出与野生种群相当的遗传多样性，证实了圈养管理在维持遗传变异方面的有效性。然而，南苏丹种群显示出更高的近交和实现负荷，可能反映了更近期的近交历史。有害突变在精子相关基因中的富集，为猎豹精子质量差的遗传基础提供了直接证据，且纳米比亚种群中特有高影响SNP比例较高，可能与其景观破碎化有关。研究强调基因组数据对保护管理的重要性，特别是迁地种群可作为未来再引入的遗传资源库。研究结论（翻译）：通过重测序迁地和野生猎豹种群，研究人员首次对迁地与野生猎豹进行了全基因组比较。研究人员观察到所有种群遗传多样性低，但基因组杂合度高于其他知名近交种群。研究人员确认了多个与雄性生育力相关基因中PTC的固定，并发现精子相关基因中有害SNP的过度代表，其中纳米比亚拥有高负荷的特有突变。最后，研究人员表明迁地猎豹种群在遗传多样性与近交指标上与野生种群相当，并提供了一个利用杂交阻止长纯合片段传递至后代的实证案例。研究结果强调了整合基因组数据以指导濒危物种保护管理的重要性，这类数据对于维持迁地种群的适应潜力、确保圈养个体与野生种群在遗传上兼容以用于未来再引入至关重要。