通过遗传漂变和近交积累的纯合性支撑着一个濒危白鲸种群的高突变负荷

《Molecular Ecology》：Homozygosity Accumulated Through Genetic Drift and Inbreeding Underpins High Mutation Load in an Endangered Beluga Whale Population

　　

隔离种群容易通过有害突变(deleterious mutations)的积累和近交衰退(inbreeding depression)而衰退。由于栖息地改变，隔离种群预计也将变得越来越普遍。然而，一些隔离种群通过有害突变的净化(purging of deleterious mutations)避免了衰退。因此，扩展研究人员对净化发生情景的认识可以改善保护工作。尽管理论和圈养研究表明遗传净化(genetic purging)取决于种群的种群历史(demographic history)，但影响自然种群中净化概率的因素尚不明确。本研究推断加拿大四个白鲸种群(beluga whale)的种群参数并量化遗传变异，以深入了解净化。特别是，研究人员探索了圣劳伦斯河口(Saint Lawrence Estuary, SLE)的种群动态，该种群显示出遗传侵蚀(genetic erosion)的特征。研究人员发现SLE已隔离数百代，并在没有净化的情况下积累了高突变负荷(mutation load)。研究人员还发现SLE整个历史中存在近交的证据，但最近几代除外。在SLE的有害等位基因中，研究人员识别出八个与新生儿死亡率(neonate mortality)相关的独特簇——其中四个与对无机物质的细胞反应(cellular responses to inorganic substances)相关。鉴于SLE的工业污染，这一发现表明环境、遗传变异和新生儿死亡率之间存在关系。研究结果提示，当突变负荷通过持续隔离积累时，自然种群中净化的可能性可能会降低，突出了种群历史在塑造保护风险中的重要性。

研究背景：人类活动导致的栖息地丧失和破碎化使小且隔离的种群日益普遍，这些种群易通过遗传漂变(genetic drift)和近交(inbreeding)积累有害突变，形成突变负荷(mutation load)，引发近交衰退(inbreeding depression)。尽管部分隔离种群通过遗传净化(genetic purging)避免了衰退，但自然种群中净化的前提条件尚不清晰。本研究聚焦加拿大东部四个白鲸(Delphinapterus leucas)种群，特别是濒危的圣劳伦斯河口(Saint Lawrence Estuary, SLE)种群，其具有高新生儿死亡率(neonate mortality)等特征，旨在探究突变负荷、净化与种群历史之间的关系。论文发表在《Molecular Ecology》。

研究人员开展的研究：通过对40个成年白鲸（各10个来自SLE、努纳维克(NVK)、贝尔彻群岛(BIS)和东部高北极(EHA)）以及8个SLE新生儿死亡个体的全基因组重测序，推断种群历史、遗传分化与多样性、近交水平、突变负荷，并评估遗传净化是否存在。关键发现：SLE已隔离数百代，积累了高突变负荷，但未检测到净化信号；新生儿死亡个体在有害位点具有更高纯合性，且识别出8个与新生儿死亡相关的上位互作基因模块，其中4个与对无机物质的细胞反应相关。结论表明，持续隔离导致的突变负荷积累可能降低自然种群中净化的概率，强调了种群历史在保护风险中的重要性。

关键技术方法：(1) 全基因组重测序：40个成年白鲸（样本队列来源：SLE、NVK、BIS、EHA各10个）和8个SLE新生儿死亡个体（1995–2020年尸检样本）。(2) 种群历史推断：使用PSMC(sequential Markovian coalescent)和SMC++(sequential Markovian coalescent with site frequency spectrum)分析有效种群大小(Ne)变化及隔离时间。(3) 遗传分化与多样性：采用Admixture聚类和PIXY计算F_ST和核苷酸多样性(π)。(4) 近交评估：通过bcftools roh估计纯合片段(runs of homozygosity, ROH)长度分布，并计算近交系数F_HOM。(5) 突变负荷与净化：使用SnpEff注释突变效应，统计有害等位基因频率，并通过Rxy比值检验净化信号。(6) 上位互作分析：利用WISH-R(Weighted Interaction Snp Hub)识别与新生儿死亡表型相关的基因模块，并基于GO(Gene Ontology)富集分析功能。

研究结果：
3.1 遗传分化(Genetic Differentiation)：通过Admixture和PIXY分析，发现四个遗传簇，SLE与其他种群分化最大（F_ST=0.10–0.12），并作为其他种群的外群。
3.2 种群历史(Demographic History)：PSMC和SMC++推断显示，所有种群在末次冰期(Last Glacial Period, LGP)约125千年前(kya)开始有效种群大小(Ne)下降；SMC++分裂分析表明SLE在48–50 kya期间与其他加拿大东部白鲸隔离，且维持较小Ne。
3.3 遗传多样性(Genetic Diversity)：SLE的核苷酸多样性(π)最低（0.0017），固定位点数量更多，ROH更长更频繁（最长至9 Mb），表明遗传漂变和近交共同作用；时间最近共同祖先(tMRCA)估计显示SLE最长ROH凝聚于200–400年前，而其他种群为500–1000年前。
3.4 突变负荷与遗传净化(Mutation Load and Genetic Purging)：SLE有害等位基因频率显著高于其他种群，且纯合有害位点比例更高；Rxy统计显示所有种群间均无净化信号，SLE在所有突变效应类别中均存在有害等位基因过剩。
3.5 近交衰退(Inbreeding Depression)：比较SLE新生儿死亡个体与成年个体，未发现新生儿死亡个体更近交（F_HOM和长ROH无差异），但新生儿死亡个体在有害位点杂合度更低，纯合度更高；识别出2497个位点仅在新生儿死亡个体中存在有害纯合子，聚类为8个基因模块，其中4个与对无机物质的细胞反应显著相关（如砷、多氯联苯等污染物代谢过程）。

总结讨论与结论：讨论指出，SLE长期隔离和持续小Ne导致遗传漂变和近交积累，但最近几代缺乏频繁近交，可能降低了净化效率。2497个差异位点多为低或中等效应突变，其上位互作效应可能通过与环境毒素（如工业污染物）的交互作用导致新生儿死亡。结论部分翻译：本研究未发现任何白鲸种群存在遗传净化信号，但SLE近几代缺乏近交与净化缺失一致，支持模拟研究结论——净化概率高度依赖于近交衰退的遗传基础。SLE的Ne持续下降导致有害变异积累，而其他种群在冰期后Ne增加可能源于二次接触。随着气候变化导致海冰减少，需监测SLE的基因流动态，因其可能引入新有害变异进一步降低净化概率。本研究数据可为加拿大东部白鲸的遗传监测提供基线，并加深对隔离种群动态的理解。