大规模基因组变异与SNP在驱动种群分化和局部适应中的比较

《Integrative Zoology》：Comparisons Between Large-Scale Genomic Variants and SNPs in Driving Population Divergence and Local Adaptation

　　

基因组变异，如插入缺失（indels，2–49 bp）和结构变异（SVs，≥50 bp），是比单核苷酸多态性（SNPs）更大尺度的突变，并可显著影响物种形成、适应和表型等进化过程。尽管这些变异具有功能重要性，但联合考虑全基因组SNPs、indels和SVs的整合种群遗传分析仍未被充分探索。地山雀（Pseudopodoces humilis）是青藏高原（QTP）的特有种，在不同冰期避难所中表现出分化，并伴随栖息地和形态分化，使其成为研究不同类型基因组变异如何促进种群分化和局部适应的绝佳范例。本文中，研究人员通过获取81份全基因组序列数据，鉴定出超过1300万个SNPs、200万个indels和22,101个SVs。变异在基因组上分布不均，具有明显的热点区域。Indels和SVs揭示了四个遗传聚类，与先前基于SNP的研究结果一致，从而验证了数据集的可信性。F_ST和基因型-环境关联（GEA）分析独立揭示了许多候选indels和SVs；它们与先前识别的SNPs重叠极少，且富集于相似的功能通路，如信号转导、骨骼肌发育、水分运输、DNA修复、繁殖、神经系统发育和免疫。总的来说，研究结果表明indels和SVs能够捕获SNPs之外的额外信号。此外，不同类型基因组变异之间相似但不同的基因功能共同且互补地驱动这种高海拔特有种沿环境梯度的基因组分化，凸显了其在局部适应中的进化相关性。

单核苷酸多态性（SNPs）长期作为种群基因组学的核心标记，但仅依赖SNP可能低估因果变异效应，因为因果位点常以单倍型形式存在，且与SNP标记连锁不完全。插入缺失（indels，2–49 bp）和结构变异（SVs，≥50 bp）是覆盖更大基因组区域的突变类型，能够影响基因结构、拷贝数和调控机制，对表型变异和局部适应具有更显著的贡献。然而，以往研究多局限于SNP或少数SV类型，缺乏在全基因组水平上对indels和SVs的系统整合分析。地山雀（Pseudopodoces humilis）是青藏高原（QTP）特有种，分布在不同冰期避难所，种群分化明显且具有栖息地和形态差异，是探究不同类型基因组变异如何驱动种群分化和局部适应的理想系统。为此，研究人员收集了81份全基因组测序数据，系统比较了SNPs、indels和SVs在种群分化和局部适应中的作用。该研究发表于《Integrative Zoology》。

研究人员从先前发表的数据库和未发表数据中获取81份覆盖不同种群的地山雀全基因组测序数据（Cheng等，2021；Wang等，2023；Lv等，未发表数据）。数据经质控后比对到染色体级参考基因组。SNP数据来自Lv等未发表数据；indels经GATK流程检测；SVs由Smoove、Manta和Delly三个软件独立检测并取交集以降低假阳性。群体结构采用ADMIXTURE、主成分分析（PCA）和系统发育重建，分化程度通过F_ST计算，局部适应通过LFMM进行的基因型-环境关联（GEA）分析，环境变量来自WorldClim和glUV数据库。

**3.1 Indel和SV特征**：通过81份全基因组数据共鉴定出2,431,419个indels和22,101个SVs，其中小缺失和缺失（DELs）占比最高。大部分变异为低频变异（MAF<0.05），SV检测接近饱和。注释显示多数变异位于基因间和内含子区域，并鉴定出67个indel热点区域和68个SV热点区域，富集于代谢、免疫和心脏发育等通路。

**3.2 种群结构和栖息地分化**：基于indels和SVs的系统发育树、PCA和ADMIXTURE分析均支持四个遗传聚类，与先前SNP结果一致。地理隔离（山脉和河流）是种群分化的主要驱动力，而环境PCA显示各遗传聚类在环境空间中混合，表明栖息地环境差异并非主要因素。

**3.3 不同种群间的遗传分化**：成对F_ST分析显示东南与东北种群分化最高，中心与东种群分化最低。高分化区注释到1537个indel相关基因和52个SV相关基因；中心与东北种群间不同变异类型鉴定的基因重叠极少，但功能富集相似。

**3.4 基于indels和SVs的局部适应遗传机制**：LFMM分析识别出1935个候选indels和77个候选SVs，分别注释到690和56个基因，其中6个共享，且与SNP结果重叠有限。这些基因富集于信号转导、神经系统发育、血管发育和尿素转运等通路，例如与最冷季度降水量（BIO19）相关的indel涉及TBX5，与年平均温度（BIO1）相关的SV涉及PTK2。

讨论部分指出，不同变异类型能够捕获SNP之外的适应信号，且功能上互补。虽然各变异类型鉴定的具体基因不同，但均富集于相似的生理和发育通路，说明它们共同驱动高海拔环境的适应。种群结构与栖息地分化不一致可能反映了长期进化历史与近期环境变化的差异。研究结论表明，整合多种变异类型为理解特有种的局部适应和种群分化提供了更全面的视角。结论部分翻译如下：本研究利用了在局部适应和种群分化研究中常被忽视的indels和SVs综合基因组资源。GEA和F_ST结果强调了indels和SVs在塑造进化过程中的互补作用，包括历史种群分化和近期局部适应，这些过程与地理屏障和异质景观相关。大多数以往研究集中于SNP扫描，而研究人员对多种变异类型的整合提供了更全面的基因组适应视图。通过将变异与环境变化联系起来，以地山雀这样的窄域特有种为例，研究人员获得了关于不同基因组变异如何促进局部适应和种群分化的新见解。未来纳入多类型变异的研究对于完整揭示进化适应和物种分化的机制不可或缺。