《Molecular Ecology》：Genotype–Phenotype-Environment Associations and Potential Local Adaptation Signals in the Mesquite Lizard Along the Eastern Trans-Mexican Volcanic Belt
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人类活动改变了景观的组成和配置，并导致栖息地破碎化，从而形成环境梯度和扩散屏障，这些因素会改变基因流并产生选择压力。识别局部适应（其取决于选择与基因流之间的平衡）需要整合多种证据来源的综合分析方法。值得注意的是，新热带蜥蜴的局部适应信号研究一直较为匮乏。通
人类活动改变了景观的组成和配置，并导致栖息地破碎化，从而形成环境梯度和扩散屏障，这些因素会改变基因流并产生选择压力。识别局部适应（其取决于选择与基因流之间的平衡）需要整合多种证据来源的综合分析方法。值得注意的是，新热带蜥蜴的局部适应信号研究一直较为匮乏。通过整合表型、基因组、环境和景观数据，研究人员评估了牧豆树蜥（Sceloporus grammicus）是否表现出与景观变量相关的形态变化，以及其在跨墨西哥火山火山带东段沿自然-人为梯度是否存在潜在的局部适应信号。表型结果显示，某些性状随景观变量变化，包括海拔对鼻孔到泄殖腔长度（SVL）的负（SVL）效应以及距森林区域距离（Dfz）对体况指数（BCI）的正效应。通过基因型-环境和基因型-表型关联分析，研究人员检测到72个具有适应性信号的候选单核苷酸多态性（SNPs），并据此确定了研究区域内的四个适应性单元。功能富集分析强调了四个在分子功能上过度显现的基因（ADCY10、LMOD3、NINJ1、STX16）。注释到ADC、LMOD3和NIN16的SNPs的变异等位基因频率随海拔升高而增加，且在SVL较小的个体中增加；而赋予STX16的SNP频率则随Dfz和BCI的增加而升高。总体而言，这些结果支持了与先前推断的牧豆树蜥蜴功能连接性模式一致的、具有空间结构的、与景观相关联的候选适应性变异。相关研究还揭示了在环境异质性和人为化背景下探索可能促进局部适应的生理和代谢反应的机制。
**论文解读文章**
**一、研究背景与科学问题**
人类活动（如农业扩张、城市化及道路建设）深刻改变了自然景观的组成、配置与异质性，导致栖息地破碎化，并由此产生了多样化环境梯度和生物扩散障碍。这些变化不仅干扰了种群间的迁移与基因流，还极有可能创造新的环境选择压力，从而影响物种的局部适应能力与生存持久度。局部适应源于自然选择与基因流之间的动态平衡，其形成机制需要整合多种证据的综合分析才能得到可靠结论。然而，此前关于新热带地区蜥蜴局部适应信号的研究仍较为缺乏，尤其在墨西哥，多数物种的相关基因组及景观数据信息甚为零。
墨西哥牧豆树蜥蜴（Sceloporus grammicus）是一种分布广泛且生境屑多样的特有动物，分布于从美国德克萨斯州南部到墨西哥南端的广大地理范围，涵盖沙漠、灌丛、森林、高海拔山地以及农业区。此前研究发现，该物种在海拔与栖息地类型间存在显著的体温调节效率差异及形态变异。同时，位于墨西哥东部的跨墨西哥火山火山带（Trans-Mexican Volcanic Belt，TMVB）包含了原生林、农业区及城市化的地景镶嵌体，是探讨环境梯度下种群分化与适应机制的自然实验场所。
基于此，该研究重点关注两个科学问题：（1）牧豆树蜥蜴的自发性表型变异是否与区域内的景观异质性存在显著关联；（2）沿自然-人为梯度的不同地理种群是否表现出区别于不可遗传的可塑性变异的潜在局部适应信号。研究整合了表型形态学、基因组单核苷酸多态（Single Nucleotide Polymorphisms， SNP）、生态环境与景观构成等多维度数据，试图在联网基因组学与表型组学水平上揭示景石驱动的新型进化响应。
**二、研究设计与关键方法**
研究团队选取了墨西哥东部火山山带内六个地理区域（Cerros Grises山系，包括Ostol、San Sebastián、San Juan三座山地，Tlaloc山、La Malinche火山、Iztaccíhuatl火山）的11个采样点，于2019至2022年间共捕获了171只野生个体。其中153只性成熟个体用于表型分析，89只个体的高质量基因组数据用于遗传学估计。研究系统测量了个体的10项形态指标：体温部长度（Snout-vent Length, SVL）、尾长（Tail Length, TaL）、全长、前肢长（Forearm Length, FoL）、上膊长（Humerus Length, HuL）、胫骨长（Tibia Length, TiL）、股骨长（Femur Length, Fz），以及颅长（Skull Length, SkL）、颅宽（Skull Width, SkW）和颅高（Skull Height, SkH），并计算了体重和身体条件指数BCI。
研究构建了精度为10米的高分辨率地理景观环境数据库，包括气候变量（气温、相对湿度）、植备变量（归一化植被指数，卫星距离、天然植被覆盖）、地形变量（海拔、坡度、坡向）及人为干扰变量（农业覆盖、城市覆盖、道路距离等）。核心分析框架为回归分析链：利用广义线性混合效应模型（Generalized Linear Mixed Model, GLMM）判别隗区或采样点作为随机效应的解释贡献度，并检验表型-景观变量间的显著关联；分子适应性遗传解析采用多基因型-环境关联分析（Genotype-Environment Association, GEA）、基因型-表型关联分析（Genotype-Phenotype Association, GPA）以及全称组关联分析（Genome-Wide Association, GWA），以识别候选适应性等位基因；通过空间主成分分析（sPCA）、反距离权重插值（IDW）及冗余分析（RDA）确定适应性单元的地理分布及其与环境的对应关系。此外，对候选SNP位点所在的基因序列进行了同源比对和GO功能富集分析（GO Enrichment，基于蚴且以绿鬣蜥基因组为参考），以推断适应性性状的潜在分子机制。
**三、主要研究结果**
**表型变异与景观关联性分析：** 模型比较表明，相对于地理区域，以采样点作为随机效应的GLMM能更好解释多数形态性状（如体长、肢长、颅型、体重及BCI）的变异，说明表型分化具明显的局部性。在景观-表型关联分析中，海拔与体形及体长呈显著负相关（β = ?0.346，p < 0.001），佐证了该物种遵循伯格曼规则的反向模式——即高海拔个体体型较小。坡度和农业干扰面积与肢体长度（前脚、胫骨）关联显著，开放栖息地生境下的个体肢体更长。距离植被越远的个体，其体重和BCI值显著更高，表明边缘或开放农区的个体拥有更好的营养状态。性别差异在各形态性状中亦普遍存在，典型表现为雄性个体整体偏大。
**候选适应性SNPs鉴定与功能验证：**
GEA分析中，冗余分析（RDA）识别了382个候选SNP（基因组受控结构校正，p < 0.001），隐因子混合模型（LFMM）识别了411个候选SNP（89个与多变量关联）；GPA分析中，GWA与LFMM分别检测了70个和54个候选SNP。三种方法交叉验证后，最终确认了72个共有的潜在适应性候选SNPs。基于这72个位点的sPCA（仅全局结构显著，p < 0.01，前3轴解释98%的全局空间方差）显示了研究区域内存在4个清晰的空间适应性单元：（1）La Malintzin山与Cerros Grises山系多站点聚群；（2）San Sebastián仅限农牧站点；（3）Tlaloc与Iztaccíhuatl农业/森林站点的混合聚群；（4）Iztaccíhuatl高海拔森林站点，其与周围种群保持高度遗传隔绝且基因流受阻。
**功能富集与分子途径解析：**
针对72个候选SNP的跨基因组范围功能注释显示，4个基因的分子功能标签显著过表达：ADCY10（编码可溶性鸟苷酸环化酶，参与cAMP信号调控与代谢平衡）、LMOD3（负责肌钙蛋白/原肌球蛋白结合，影响横纹肌微丝组织架构、肌肉发育防）、NINJ1（介导细胞膜损伤信号反应与免疫调节）和STX16（属于SNARE蛋白家族，参与胞内小泡运输及自噬调控）。其中，三个与高程梯度（Ele）和个体体型大小（SVL）相关基因型（ADCY10、LMOD3、NINJ1）在同一海拔位点中增加，并与既定海拔-体长负相关模式一致；高海拔孤立种群的频率高。STX16等位基因频率则与远离森林距（Dfz）及高BCI成正相关，提示该基因介导的自噬和物质循环机制更有助于动物在边缘农业景观中维持能量平衡。最终得到的群体冗余分析标定图（解释总方差56.3%和23.2%）证实了几组取样地点的基因-表型-环境遗传联动机理极强可划分。
**四、讨论与结论**
研究团队首次基于生成性整合框架，揭示了成体蚴自然种群环境下（至少部分天然物种的隼皿）潜在本地适应性变异的遗传、表型与环境关联。格局分析表明，以往连通性较高的功能地类区域（如农业覆盖及基质温度较高地带）其基因流动可能促进表型的均质化（如体型较大），而隔离程度较高的高海拔、低温和较高植被区形成独立的适应性单元，表明基因隔阻与强选择压力（低热质、资源限制）共同驱动了在地分化。
所鉴定的候选基因进一步支持了该物种在生理与代谢层面的适应策略：ADCY10可能强化线粒体供能以支持寒冷环境下的瞬时活动；LMOD3维持骨骼肌完整以保持良好的运动；NINJ1通过降低炎症损伤而节约能量支出；STX16增强自噬降解废物及细胞重塑功能，有利于边缘栖息地的能量收纳。相关机制尚需透转录组学、功耗代谢实验及转化研究（尤其是利用哺乳动物模型中建立的基因功能），以获得因果验证。尽管尚无生理学方法确证，这些结果充分证明了牧豆树蜥蜴在漫长且人为干扰下的变异性景观中保留有外培育新功能多样性的进化潜力，其积累的适应性分化及演化轨迹有助于未来在纵深区域的生物多样性保持与栖息地连通规划的精准管理上提供决策参考。
