海景基因组学揭示脆弱平滑锤头鲨（Sphyrna zygaena）在瓶颈事件、高近交和低杂合度背景下仅存在微弱的局部适应信号

《Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems》：Seascape Genomics Uncovers Weak Signs of Local Adaptation Despite Bottleneck Events, High Inbreeding and Low Heterozygosity in the Vulnerable Smooth Hammerhead Shark (Sphyrna zygaena)

　　

平滑锤头鲨（Sphyrna zygaena）是一种高度迁徙的中上层捕食者，由于过度开发和快速气候变化而被列为易危（Vulnerable）物种。然而，其基因组多样性、连通性模式和种群历史仍然知之甚少。研究人员采用基于参考基因组的全基因组双酶切限制性位点相关DNA测序（double digest restriction-site associated DNA sequencing, ddRADseq）方法，研究了大西洋和西南印度洋的种群结构、基因型-环境关系和种群历史，以评估其进化恢复力和与保护相关的种群动态。全基因组单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）分析揭示出两个主要管理单元（Management Units），分别对应大西洋和西南印度洋，显示出中等但显著的分化以及跨洋盆的有限连通性。有效迁移表面模型（Estimating Effective Migration Surfaces, EEMS）突出显示几内亚湾、马达加斯加和留尼汪岛是关键连通区域，表明它们可能作为维持基因交流的走廊。基因组扫描鉴定了少量与环境梯度（包括生产力、海洋环流、温度和海底地形）相关的位点，表明相对于中性种群结构，局部适应的信号较弱。两个区域的基因组杂合度估计值均较低，纯合性运行（runs of homozygosity, ROH）表明高水平的自身纯合性（autozygosity），尤其在大西洋谱系中，与高近交一致。种群历史分析表明，在更新世期间曾发生历史性种群扩张，随后长期衰退，并伴随着工业渔业兴起而出现近期严重瓶颈，导致当前有效种群大小极低。总体而言，这些结果凸显了S. zygaena的基因组侵蚀，强调了保护连通性热点以支持适应能力和长期种群生存的重要性。

**论文解读**

更新世期间全球海平面反复波动，重塑了沿海景观和海洋环流，形成新的系统地理屏障，但开放海洋的广阔空间和渗透性屏障也可能促进基因流，从而抵消种群分化。软骨鱼类（Chondrichthyes）中超过三分之一物种面临灭绝风险，主要威胁来自过度捕捞、栖息地退化、气候变化和污染。平滑锤头鲨（Sphyrna zygaena）作为高度迁徙的远洋捕食者，被国际自然保护联盟（IUCN）列为“易危”（Vulnerable），并列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）附录II。然而，该物种的基因组多样性、连通格局和种群历史长期缺乏研究。以往基于线粒体DNA（mtDNA）的研究因单基因座、母系遗传和较小有效种群大小等局限，无法准确反映当代种群结构和双向基因流。因此，需要利用全基因组核基因标记来评估种群结构、基因型-环境关联、近交水平和种群动态，以指导保护策略。

研究人员采用基于参考基因组的双酶切限制性位点相关DNA测序（ddRADseq）技术，对大西洋和西南印度洋共87个样本（最终73个进入分析）进行测序，评估了种群结构、连通性、局部适应信号、全基因组杂合度、纯合性运行（ROH）和种群历史。结果显示，大西洋与西南印度洋构成两个主要管理单元（Management Units），中等但显著分化（F_ST=0.061），跨洋盆基因流有限。有效迁移表面模型（EEMS）识别出几内亚湾、马达加斯加和留尼汪岛为关键连通区域，可能作为维持基因库的走廊。基因组扫描仅发现237个共识候选位点与环境梯度相关，表明局部适应信号较弱。全基因组杂合度低（大西洋0.00063，西南印度洋0.00074），ROH显示高自身纯合性，尤其在大西洋谱系。种群历史重建显示更新世扩张后长期下降，近期出现与工业渔业兴起相关的严重瓶颈，当前有效种群大小极低（大西洋178.6，西南印度洋64.4）。这些结果凸显了该物种的基因组侵蚀，强调了保护连通性热点对于维持适应能力和长期生存的重要性。

**主要关键技术方法**：样本来自葡萄牙海洋与大气研究所（IPMA）科学观察员在葡萄牙远洋延绳钓渔业中采集，以及巴西南部小规模工业渔业登陆点。采用ddRADseq技术构建文库并测序，比对到近缘种大锤头鲨（Sphyrna mokarran）参考基因组，经质控和过滤获得12,655个连锁不平衡（LD）剪枝SNP。种群结构分析使用主成分分析（PCA）、判别主成分分析（DAPC）、稀疏非负矩阵分解（snmf）、空间种群结构推断（tess3r）和EEMS；选择扫描使用OutFLANK、全基因组分化扫描（GWDS）、pcadapt、潜在因子混合模型（LFMM2）和tess3r，随后进行冗余分析（RDA）关联环境因子；杂合度通过比对位点计算，ROH和F_ROH用于评估近交；历史有效种群大小用Stairway Plot重建，当代有效种群大小用GONE2和currentNe2估计。

**3.1 基因组种群结构与连通性**：研究人员通过KING亲缘关系分析排除了高度相关个体。PCA和DAPC均显示两个明显聚类，分别对应大西洋和西南印度洋；多种聚类方法支持最优K=2。EEMS显示大西洋与印度洋之间存在迁移屏障，而几内亚湾、马达加斯加和留尼汪岛区域有效迁移率较高，提示这些区域是基因交流的重要枢纽。成对F_ST分析证实大西洋与西南印度洋间中等但显著分化，隔离距离（isolation-by-distance）分析表明地理距离对分化有显著贡献。

**3.2 基因组选择扫描**：研究人员应用五种基因组扫描方法，各方法检出的候选位点数量差异很大（OutFLANK检出0个，GWDS检出8个，pcadapt检出2935个，LFMM2检出424个，tess3r检出41个），其中237个位点被至少两种方法支持，构成共识候选集。冗余分析（RDA）显示，这些共识候选位点的等位基因频率变异与浮游植物浓度、海水方向、海表温度、最小水深和海水速度等环境变量的综合梯度显著相关（校正后R²=0.208），且该关联主要沿RDA1轴区分大西洋与西南印度洋种群。然而，共识位点数量少且方法依赖性强，表明局部适应信号相对于中性基因组背景较弱，并非全基因组广泛分化。

**3.3 全基因组ROH、杂合度与历史种群动态**：全基因组杂合度在大西洋（ATL）为0.00063±0.00002，在西南印度洋（SWI）为0.00074±0.00004，均处于较低水平。基于ROH的近交系数（F_ROH）显示大西洋个体具有更高且更分散的自身纯合性（部分个体超过9%），而西南印度洋个体普遍较低（大多在0.3%–3%），表明大西洋种群近期近交或瓶颈更严重。Stairway Plot重建显示两个种群在中更新世曾扩张至约10万个体，随后在末次冰期及全新世持续下降至1万以下。短时间尺度分析（GONE2）识别出约100年前出现的严重瓶颈，与工业渔业兴起时间吻合。当代有效种群大小估计大西洋为178.6（90%置信区间139.38–228.9），西南印度洋为64.4（90%置信区间35.18–117.88），均远低于维持长期进化潜力的推荐阈值。

**讨论与结论**：研究人员认为，大西洋与西南印度洋两个管理单元的划分与先前mtDNA研究一致，但基因流可能主要由雄性扩散驱动。几内亚湾、马达加斯加和留尼汪岛作为高迁移率和高多样性区域，应优先考虑设立海洋保护区。RDA结果表明候选位点的环境关联是复合梯度，不能简单归因于单一环境因子，且弱局部适应信号与高扩散能力共存。低杂合度、高近交和极低有效种群大小表明S. zygaena的遗传多样性已严重受损，可能无法满足《生物多样性公约》（CBD）要求的最小有效种群大小标准。研究结论建议：将大西洋和西南印度洋种群作为独立管理单元，由相关区域渔业管理组织分别设定配额；保护关键连通区域以维持基因流；将遗传监测纳入常规评估，以跟踪有效种群大小和遗传多样性变化。这些措施对于防止该脆弱物种的进一步遗传侵蚀和保障其长期生存至关重要。