引入海岸虹鳟的倒位多态性破坏本地红带虹鳟与西坡割喉鳟杂交带的基因组机制

《Molecular Ecology》：Inversion Polymorphisms Carried by Introduced Rainbow Trout Disrupt Hybrid Zones Between Native Species

　　

解释为何一些杂交带保持稳定而另一些却崩溃为杂交种群（hybrid swarm）的基因组机制仍知之甚少。在蒙大拿州库特奈河流域（Kootenai River Basin），本地内陆红带虹鳟（Oncorhynchus mykiss gairdneri；IRT）与西坡割喉鳟（O. lewisi；WCT）天然同域分布，历史上仅表现出有限的杂交。然而，异域分布的海岸虹鳟（O. m. ssp.；CRT）的引入与杂交种群的形成在时间上恰好吻合。研究人员利用新构建的IRT连锁图谱以及3489个个体在189,984个单核苷酸多态性（SNP）位点上的基因分型数据，解析了基因组结构在本地与入侵类群杂交中的作用。本地IRT在5号染色体（Chr05）的双倒位复合体上固定为衍生排列，而引入的CRT及种内杂交个体则保留了与洄游行为相关的祖先多态性。广泛的杂交主要由虹鳟（RBT）类群间的种内混合驱动，而非与其他物种的杂交所驱动，这可能是通过CRT混合引入IRT群体的基因组结构变异所介导的。具体而言，Chr05基因型表现出强烈的栖息地分层；与洄游相关的单倍型主要出现在与洄游相关的栖息地中，表明扩散是促进基因渐渗的关键机制。研究人员发现了针对种间杂交个体的选择证据，这可能与种间倒位有关。值得注意的是，WCT携带的Chr05独特形式与祖先RBT形式共线性。同时携带WCT和祖先RBT形式（WCT^A/RBT^A）的种间杂交个体尽管结构上为纯合，却极为罕见（1.59%），表明存在选择或更强的基因组不相容性。最终，引入的种内变异可能通过扩散促进基因渐渗，而不同的种间结构排列则维持基因组屏障，限制基因流。

**一、研究背景与科学问题**

杂交在物种形成与灭绝中具有双重作用。天然同域分布的类群之间的杂交带通常较为稳定，由合子前和合子后隔离机制共同维持。然而，人类介导的生物迁移使历史上异域分布的谱系发生次级接触，当生殖屏障不完整时，杂交可促进基因渐渗，甚至导致杂交种群（hybrid swarm）形成和基因组灭绝。在蒙大拿州库特奈河流域（Kootenai River Basin），本地内陆红带虹鳟（Oncorhynchus mykiss gairdneri；IRT）与西坡割喉鳟（O. lewisi；WCT）长期同域共存，历史杂交有限；而异域分布的海岸虹鳟（O. m. ssp.；CRT）引入后，该区域出现了广泛的杂交种群。此前研究多关注环境与景观变量对杂交程度的影响，但基因组结构（特别是染色体重排和倒位多态性）在塑造杂交结局中的作用仍不清楚。已有研究表明，虹鳟（RBT）与WCT之间存在固定的染色体重排，而RBT内部存在多态性倒位，尤其是5号染色体（Chr05）上约57 Mb的双倒位复合体与洄游行为、生长和发育相关。然而，这些多态性在IRT中的分布及其进化意义尚未被充分表征。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员利用新型IRT连锁图谱、3489个个体的189,984个SNP基因型数据，结合谱系特异性参考基因组，系统解析了库特奈河流域多物种杂交复合体中基因组结构变异的作用。研究识别了区分本地IRT、WCT与引入CRT、黄石割喉鳟（O. virginalis bouvieri；YCT）的诊断位点，对杂交个体中的固定种间重排和多态性倒位进行了基因分型，并评估了重组抑制与杂交不相容性的信号。研究发现：引入CRT携带的Chr05倒位多态性通过影响扩散、重组和杂交祖先片段的存续，促进了杂交带的扩张；而RBT与WCT之间的固定倒位则抑制重组、维持基因组屏障，限制基因流。

**三、关键技术与方法**

本研究的样本涵盖库特奈河流域（蒙大拿州、不列颠哥伦比亚省）的2894个野生个体，以及来自阿尔伯塔省阿萨巴斯卡河流域、多个孵化场品系（如Pennask Lake、Gerrard、Arlee、Eagle Lake等）的参考样本。研究人员利用LepMap3构建了IRT的共识连锁图谱和3个群体特异性图谱，并与Arlee RBT、Swanson RBT和Connor Lake WCT参考基因组比对以鉴定染色体重排和倒位；使用RAD-Capture探针panel（10,000条探针）进行靶向测序基因分型；基于等位基因频率差异筛选物种和亚种诊断位点（阈值分别为≥0.975和≥0.99）；采用ADMIXTURE（K=4）和ELAI进行全局和局部祖先推断；通过比较倒位区域内外RBT诊断位点的种间杂合度评估重组抑制；利用500-kb非重叠滑动窗口计算配对F_ST以表征基因组分化。

**四、主要研究结果**

**4.1 IRT的基因组结构**：通过连锁图谱比对发现，库特奈IRT的基因组结构与Swanson RBT参考基因组一致，单倍体核型为29条染色体。IRT在Chr05双倒位复合体上固定为衍生型（RBT^RR），并携带Omy20种内倒位的衍生型，但未检测到Omy26倒位。染色体17存在重组减少区域，与Ali等描述的种内倒位一致；对WCT的比对还确认了Chr20、Chr22和Chr29上的种间倒位。

**4.2 杂交的景观格局**：全局祖先分析显示，大多数群体中均检测到杂交个体，但真正的F1极少（N=8），F2几乎缺失，多数杂交个体为回交后代，且种间回交不对称，复杂混合主要出现在WCT为主的个体中。RBT种内混合极为普遍，CRT祖先在系统中广泛分布。在Yaak河流域，屏障以上的群体主要为本地WCT或IRT；在缺乏绝对屏障的支流中，CRT祖先比例随距主河道距离增加而降低。

**4.3 重排相关的重组抑制**：倒位基因型可预测整条染色体的杂合度模式。异核型杂交个体在Chr05、Chr20和Chr29上表现出几乎完全的重组抑制（Pearson's r>0.92），Chr22抑制相对较弱（r=0.83），Chr17虽存在重组子但抑制效应明显（r=0.89）。Omy20的杂合度与Omy28全染色体高度相关（r=0.98），表明罗伯逊融合与倒位共同贡献于重组抑制，但融合相关染色体上重组子更常见，说明其抑制效应相对较弱。

**4.4 种内倒位基因型分布与生态关联**：Chr05复合体的RBT^AA个体仅出现在与大型河流或湖泊等洄游相关的生活史栖息地中，支流中完全没有RBT^AA个体（RBT^RR频率97.8%），而非支流栖息地中RBT^AA频率为1.16%（水库）至10.00%–11.86%（湖泊、河流、河谷）。二十个RBT^AA个体主要为IRT×CRT杂交后代，但仍遵循相同的栖息地分层模式。

**4.5 对种间异核型倒位的潜在选择**：在East Fork Yaak（杂交持续但罕见）中，异核型个体以低频存在（4.65%，N=20），包括两个具有>99% IRT祖先的个体；而在Upper Bear Creek（存在屏障、当代无WCT基因流）中，尽管90.23%个体在共线性基因组区域携带微量WCT祖先（0.1%–1.24%），未检测到任何异核型倒位。这表明重组抑制最初维持大块杂交祖先片段，但异核型倒位会随时间被选择清除。

**4.6 与Chr05复合体相关的种间不相容性**：在所有Chr05杂交个体中（N=83），58个为WCT^A/RBT^R基因型，而WCT^A/RBT^A（祖先共线性配对）仅在63个RBT×割喉鳟杂交个体中检出1个（1.59%），且该个体主要为WCT祖先（75.36%），为F