亲代抚育失调：一种新发现的合子后生殖隔离屏障——以三刺鱼白色与普通生态型为例

《Journal of Animal Ecology》：Evidence of parental care as a newly identified reproductive isolating barrier

　　

摘要专业翻译 行为变异可通过阻止种群间基因流而促成生殖隔离。本研究检验了一个新假说：当亲代抚育行为失调时，可作为一种生殖隔离机制，作用于三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）。在典型的“普通”（common）三刺鱼生态型中，雄性通过胸鳍扇动（fanning）及守护巢穴为后代提供抚育；相反，分化的“白色”（white）生态型在进化上丧失了抚育行为，并将胚胎散布至周围环境中。研究人员考察了普通、白色及F1杂交父本的父性抚育对后代存活的影响。研究未检测到胚胎存在内在不相容性，但F1杂交父本表现出失调的父性抚育行为，且与受抚育后代的存活率下降相关。后代死亡率升高可能归因于摄食与抚育神经环路（feeding and parenting circuitry）的进一步失调，因为F2杂交父本在受精后表现出显著高于普通或白色父本的子代同类相食（filial cannibalism）比率。此外，尽管筑巢与求偶行为存在强烈分化，F1杂交个体仍能达到与普通及白色雄性相似的交配成功率，提示针对杂交个体的合子前隔离屏障可能较弱。观察到的合子后隔离以及实验室研究中可能较弱的合子前隔离，提示野外环境中杂交可能以低频率发生。种群遗传分析支持这一结论，在同域分布位点检测到低比例的推定杂交个体。综上，这些结果可能有助于解释这两个表型迥异生态型之间遗传分化较低的原因，并为失调的亲代行为可作为新发现的合子后生殖隔离屏障提供了证据。

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一、研究背景与科学问题

物种形成（speciation）是进化生物学的核心难题之一，理解生殖隔离屏障（reproductive isolating barriers）的形成与维持机制，对于阐明生物多样性的起源至关重要。行为可以直接影响生存与繁殖成功，因此在生殖隔离的进化中扮演重要角色。行为既可作为合子前隔离屏障（如求偶展示、领域行为、鸣唱等阻止异种群间合子的形成），也可作为合子后隔离屏障（如杂交个体表现出异常的迁移路线、认知受损或失调的求偶行为）。然而，亲代抚育失调作为一种潜在的行为性合子后隔离屏障，此前在动物中尚未被系统研究。

三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）是物种形成研究的经典模式系统。在加拿大新斯科舍省，存在“白色”（white）与“普通”（common）两种生态型。普通生态型雄性在受精后通过胸鳍扇动为胚胎充氧并清理腐败卵，以预防真菌感染，提供数日的亲代抚育；而白色生态型在进化上丧失了抚育行为，雄性在受精后将胚胎从巢中取出并散布至周围环境。两种生态型在体型、筑巢结构、求偶行为及雌性繁殖特征（如卵粘性、卵大小与窝卵数）等方面均存在显著分化，但基因组水平的分化极低（F_ST≈0.02），且推测存在基因流。此前研究已表明F1杂交个体可育且能产生可存活后代，提示野外可能正在发生杂交。然而，维持这种显著表型分化而遗传分化较低的过程尚不清楚，野外杂交率也从未被量化。本研究旨在检验一个新假说：失调的亲代抚育行为可构成一种行为性不育（behavioural sterility）形式，作为外在的合子后生殖隔离屏障，阻止F1杂交雄性实现繁殖成功。

二、研究设计与主要结论

研究人员通过人工受精构建了白色、普通及双向F1杂交后代，系统比较了不同父本基因型（F0与F1）在父性抚育条件下的后代存活率，并以人工孵化作为内在不相容性的对照。同时量化了父性行为（扇动与胚胎散布）、子代同类相食率、交配成功率及巢穴结构，并通过RADseq与全基因组测序对野外种群进行了遗传分析。主要结论包括：F1杂交父本的后代在父性抚育条件下存活率显著低于F0父本，而人工孵化条件下无差异，排除了内在遗传不相容的贡献；F1杂交父本表现出白色与普通策略的混合且低水平的行为组合；F2杂交雄性表现出显著升高的子代同类相食率；未发现针对F1杂交雄性的强合子前选择；野外同域种群中检测到约2.5%的推定杂交个体，证实自然杂交正在低频率发生。

三、关键技术与方法

本研究涉及以下主要技术方法：野外采集于2023年在新斯科舍省Salmon River（白色）与Blue's Cove（普通）进行，2022年另从Canal Lake、Salmon River、Blues Cove及McIvor Road Junction四个位点各随机采集50尾个体用于种群遗传分析。通过人工受精构建白色、普通及双向F1杂交后代，并在加州大学河滨分校孵化后转运至伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校进行行为实验。父性行为（扇动与胚胎散布）通过JWatcher软件进行每日两次、每次15分钟、持续4天的录像分析。子代同类相食率通过解剖雄性胃部并计数其中卵/胚胎数量进行量化。种群遗传分析采用双酶切限制性位点关联DNA测序（ddRADseq）与全基因组测序（WGS），结合主成分分析（PCA）、判别主成分分析（DAPC）及稀疏非负矩阵分解（sNMF）进行杂交个体鉴定。

四、研究结果

4.1 F1杂交雄性后代在父性抚育条件下存活率低

通过比较F1杂交雄性（W♀×C♂与C♀×W♂）与F0父本（普通与白色）所抚育后代的存活率，线性模型分析显示父本基因型对存活率有显著影响（雄性F_1,33=4.32，p=0.046），F0父本的后代存活率显著高于F1杂交父本。对照实验中，人工孵化后代的存活率仅受母本基因型影响（雌性χ2=4.29，p=0.038），与父本基因型无关（雄性χ2=0.09，p=0.764），表明该系统不存在内在杂交不相容性。

4.2 F1杂交雄性的失调父性行为导致后代存活率降低

F1杂交雄性的父性行为介于白色与普通之间，且表现出两种策略元素的多种组合。普通雄性从不散布胚胎，而白色与F1杂交雄性均会散布胚胎，且白色雌性的胚胎更易被散布（雄性F_3,31=15.25，p<0.001；雌性F_1,31=25.20，p<0.001）。受精后第4天，普通雄性的扇动率显著高于白色及F1杂交雄性（雄性F_3,30=6.09，p=0.002）。值得注意的是，F1杂交雄性能够根据巢中剩余胚胎数量调节扇动率（F1 W♀×C♂ r=0.55，p=0.062；F1 C♀×W♂ r=0.70，p=0.011），且扇动率与后代存活率正相关（扇动F_1,20=11.29，p=0.003），表明它们具备提供抚育的能力但后代仍死亡。进一步研究发现，F2杂交雄性胃中卵/胚胎数量（μ=26.5，SD 18.3，n=77）显著高于白色（μ=6.77，SD 6.55，n=22）或普通（μ=2.14，SD 3.04，n=22）雄性（Kruskal–Wallis χ2=58.33，df=2，p<0.001），且即使校正体重后差异仍显著（χ2=30.85，df=2，p<0.001）。F2杂交雄性胃中36%的卵未破碎，其中67%已受精，表明它们并非优先消耗不健康的未受精卵。

4.3 针对F1杂交雄性的配偶选择或巢穴结构隔离证据不足

无选择实验（no-choice trials）中，F1杂交雄性与普通雌性（Kruskal–Wallis χ2=0.54，df=2，p=0.760）或白色雌性（χ2=2.40，df=2，p=0.302）的交配成功率均无显著差异。巢穴结构按雄性基因型显著分化（χ2=10.55，df=3，p=0.014），白色筑高而松散的巢，普通筑低而紧实的巢，F1杂交为中间型，但巢穴评分不影响F1杂交雄性的交配成功率。不过，F1杂交雄性巢穴评分与扇动率显著负相关（ρ=?0.85，p=0.004），普通型巢穴获得更多扇动。

4.4 白色与普通三刺鱼在野外发生杂交

对同域位点（Canal Lake与Salmon River）随机采样个体的PCA分析显示，白色与普通形成两个遗传簇，同时检测到位于两者之间的推定杂交个体，占同域位点随机采样个体的2.5%。DAPC与sNMF两种独立分析方法均验证了PCA鉴定的杂交个体，且sNMF还识别出更多PCA未能分辨的混合个体，提示2.5%可能是一个保守估计。仅含普通个体的位点显示单一遗传簇，排除了聚类为采样假象的可能性。

五、讨论与结论

本研究的核心发现是失调的亲代抚育行为可作为一种新发现的行为性合子后生殖隔离屏障。与早期关于杂交Agapornis鹦鹉的研究不同——那些杂交个体同时存在近乎完全的生理不育——白色-普通三刺鱼系统不存在内在合子后屏障（如配子不育或杂种无活力），因此行为性不育可能在维持种群分化中发挥重要作用。F1杂交雄性后代死亡的可能机制包括：混合且低水平的行为组合导致真菌感染防控不足，以及F2杂交雄性中升高的子代同类相食率。后者可能反映了摄食与抚育神经环路的重叠失调——脊椎动物中保守的神经肽（如甘丙肽galanin）同时调控摄食与抚育行为，而视前区甘丙肽神经元在普通与白色雄性抚育过程中的激活模式存在差异。野外约2.5%的低杂交率提示自然环境中可能存在更强的合子前隔离（如微栖息地偏好、性选择）或采样不足。雌性方面，白色雌性稀薄的卵巢液可能促进胚胎散布，F1杂交雌性的卵粘性呈中间型，提示杂交雌性可能在驱动种群间基因流中扮演角色。研究结论表明，失调的亲代抚育可作为被低估的生殖隔离屏障，在三刺鱼及其他动物中发挥作用。