《Molecular Ecology》：Genomic Vulnerability of a Threatened Possum in a Biodiversity and Climate Change Hotspot
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气候变化影响在空间上的幅度与速度差异意味着某些物种将比其他物种受到更严重的影响，这包括分布于全球生物多样性热点地区的物种——这些地区拥有异常丰富的特有种，且其长期的气候稳定性往往塑造了这些物种的演化历史。这些地区承受的过度人为压力正威胁着使生物多
专业摘要翻译
气候变化影响在空间上的幅度与速度差异意味着某些物种将比其他物种受到更严重的影响，这包括分布于全球生物多样性热点地区的物种——这些地区拥有异常丰富的特有种，且其长期的气候稳定性往往塑造了这些物种的演化历史。这些地区承受的过度人为压力正威胁着使生物多样性热点地区具有特殊价值的众多生物多样性资源。西澳大利亚西南部是一个高度破碎化的温带生物多样性热点地区，正经历快速的气候变化，并庇护着众多受威胁的哺乳动物物种。一种极度濒危的树栖食叶动物——西部环尾负鼠（ngwayir；Pseudocheirus occidentalis）——自欧洲殖民以来其分布范围已缩减至原来的约10%，且有过易位失败的记录，并正受到日益加剧的干旱影响。在此，研究人员利用分布于西澳大利亚西南部的411只ngwayir个体的9746个单核苷酸多态性标记（SNPs），评估了在三种气候变化情景和四个时间尺度下的气候适应性及气候变化基因组脆弱性。研究人员还比较了一次成功和一次失败的易位所施加的适应性错配程度，以考量其对易位成功率的贡献。研究发现，ngwayir在其分布区北缘具有较低的遗传多样性和较高的基因组脆弱性，而该区域的城市化等威胁对种群施加了巨大压力。基因组不适应似乎并非导致易位成功率差异的原因，而基因组脆弱性评分则识别出该物种分布区中南部最适合未来易位的区域。总的来说，研究分析强调了城市化地区对ngwayir保护的重要性，并建议优先在这些区域实施适应性管理措施。
论文主体解读
研究背景与科学问题
全球范围内，人为气候变化正从基因到生物群系层面对生物多样性造成多方面的影响。物种应对气候变化的能力取决于其通过分布区迁移追踪适宜栖息地的潜力，以及/或者原地适应的能力。尽管已有越来越多的证据表明部分类群对气候变化存在适应性响应，但大多数物种的适应潜力仍不确定。因此，适应性潜力很少被纳入气候脆弱性评估中，导致相关模型和假设可能无法反映现实情况，进而使管理和保护决策所需的信息不完整。
区域在地质时间尺度上的气候稳定性会影响当代生物多样性适应快速气候变化的能力。全球生物多样性热点地区通常在地质时间尺度上经历了相对较小的环境变化，其特有物种往往具有不易改变的生态特化和生活史特征，无论是通过迁移还是适应。许多全球生物多样性热点地区也被预测为人为气候变化不利影响的热点区域，尤其是在干燥的地中海型气候区，如澳大利亚西南部。因此，理解生物多样性热点地区物种的适应潜力将具有特别重要的参考价值。
西澳大利亚西南部是一个以卓越的植物多样性以及因土地开垦导致的大规模栖息地丧失而闻名的全球生物多样性热点地区。该生物区数千年来免受极端气候变异的侵袭，形成了古老、气候缓冲良好的湿润庇护所，促成了动植物区系丰富的物种丰富度和高度特有性。该地区许多物种受到高度威胁，主要威胁来自栖息地丧失、入侵物种的影响和火灾制度的改变。过去50年间，西南澳大利亚的小型哺乳动物——尤其是处于35-5500克“关键体重范围”内的物种——经历了重大衰退，目前面临全球最高的由气候变化驱动的灭绝风险之一。该地区的气候变化已表现为自1990年以来平均温度上升1°C，自1970年代以来平均降雨量减少10%-15%。在“一切照旧”的气候变化情景下，预计到2100年温度将上升4°C，冬季降雨量将进一步减少50%。尽管对该地区海洋物种和植物对气候变化的进化响应已有一些认识，但关于陆生脊椎动物适应潜力的研究几乎空白。此类知识将极大地有利于动物易位规划和实施。
西部环尾负鼠（ngwayir；Pseudocheirus occidentalis）是一种小型树栖有袋动物，为西南澳大利亚特有物种。自19世纪初欧洲殖民以来，ngwayir经历了约90%的分布范围缩减，2015年以来的种群数量估计在3400至18000只成熟个体之间。该物种目前仅存于三个孤立的管理区：天鹅沿海平原（最北种群）、南部森林（内陆种群）和南海岸（最南种群）。ngwayir被列为极度濒危物种，主要受入侵捕食者（猫和狐狸）、栖息地破碎化和不当火灾制度威胁。极端温度和干旱也直接影响ngwayir种群，导致大规模死亡事件，这可能与食用缺水胁迫叶片中的有毒化合物导致脱水和致命性膀胱结石有关。此外，先前的全分布区种群基因组研究表明，整个分布区的遗传多样性较低，并识别出三个管理区内多达八个不同的遗传簇。这些观察表明，低遗传多样性和极端气候下的不适应可能威胁ngwayir的持续生存，但这一关系尚未得到明确探索。
由于ngwayir明显易受气候变化影响，它们是研究适应能力的理想物种，可为保护性易位等行动提供信息。自1991年以来已进行过七次ngwayir的野生到野生易位，除两次外均告失败，可能原因包括捕食、健康、栖息地偏好和质量以及竞争之间的相互作用。因此，在该物种失败原因得到更好理解之前，易位不被视为优先事项，当前恢复行动旨在原地减少现存种群的威胁。因此，理解基因组脆弱性可以揭示从进化角度看ngwayir分布区哪些部分最易受气候变化影响，并可指导有针对性的缓解措施。
研究内容与主要结论
本研究旨在利用基因组脆弱性作图来理解ngwayir的适应潜力和气候变化脆弱性。研究人员假设ngwayir的脆弱性在分布区边缘最高，因为那里气候变化幅度大，且栖息地破碎化和其他压力对该物种影响最大。研究首先利用基因组数据和生物气候变量的基因型-环境关联（GEAs）来识别推定的局部适应，并绘制西南澳大利亚的适应性变异和梯度。然后，研究在四种未来时间尺度、三种现实气候预测下计算基因组脆弱性。此外，研究还评估了ngwayir易位中源地和释放地之间的潜在气候错配，以探索易位失败的潜在原因。
研究结果显示，ngwayir在北部边缘（主要是天鹅沿海平原管理区）具有较低的遗传多样性和较高的基因组脆弱性，而该区域的城市化等威胁对种群施加了巨大压力。基因组不适应并未明显导致易位成功率的差异，而基因组脆弱性评分则识别出该物种分布区中南部最适合未来易位的区域。研究还发现，从Busselton（天鹅沿海平原管理区）易位到Perup保护区（南部森林管理区）的个体与其新环境显著错配，但适应性错配本身不太可能决定易位成败。研究强调，城市化地区对ngwayir保护具有重要价值，应优先在这些区域实施适应性管理措施。
主要关键技术方法
研究人员首先从西澳大利亚西南部收集了413只ngwayir个体的遗传数据，其中325份DNA样本为先前已测序，其余88份组织样本由西澳大利亚生物多样性、保护与景区部（DBCA）和澳大利亚野生动物保护协会（AWC）在定向监测或易位期间采集，或由当地社区保护网络主要从路杀个体中机会性收集。样本覆盖了ngwayir当前分布区，包括两个围栏保护区：Karakamia（珀斯东北部，AWC管理）和Perup（南部森林管理区，DBCA管理）。DNA提取采用盐析法，随后使用DArT-seq流程进行简化代表测序。生物信息学处理包括使用Trimmomatic进行质量修剪、使用bowtie2比对到公开的P. occidentalis参考基因组、使用bcftools进行SNP calling。SNP过滤步骤包括去除插入缺失、多等位SNP、缺失数据超过20%的位点、次要等位基因计数低于3的位点以及缺失数据超过30%的个体，同时基于读深度、作图质量和异常高深度进行质量过滤，并去除偏离哈迪-温伯格平衡和连锁不平衡的SNP。最终保留9746个SNPs和349个个体用于分析。环境数据从WorldClim提取，使用四种生物气候变量（平均昼夜温差BIO2、最暖月最高温BIO5、最冷月最低温BIO6和年降水量BIO12），未来气候数据使用ACCESS-CM2全球环流模型在三种共享社会经济路径（SSP126、SSP245和SSP585）和四个时间尺度（2021-2040、2041-2060、2061-2080、2081-2100）下的预测。主要分析方法包括：使用主坐标分析（PCoA）、稀疏非负矩阵分解（sNMF）和空间显式建模（Tess3R）探索种群结构；使用有效估计迁移表面（EEMS）算法评估基因流模式；使用部分冗余分析（pRDA）进行方差分配和基因型-环境关联分析；使用“rdadapt”函数识别候选异常位点；使用“genomic_offset”函数计算基因组脆弱性评分；使用自定义R脚本计算易位个体的适应性错配评分。
研究结果
生物信息学与过滤：测序、calling和比对后的SNP数据集包含来自411个个体的850229个SNPs和插入缺失。经过高质量位点和个体过滤后，保留9746个SNPs和349个个体。SNP基因分型错误率为0.037。个体平均缺失SNP数据为3.6%。几乎所有管理区和易位位点之间的观测杂合度配对比较均显著不同，表明天鹅沿海平原的遗传多样性低于其他管理区，而南部森林（包括易位到Perup的个体）的多样性最高。
种群结构：所有分析方法均支持ngwayir分布区主要呈隔离-by-距离的种群分化模式。PCoA显示点的大致线性分布和种群内高方差，三个管理区之间存在一定重叠。模型交叉验证表明最可能的祖先簇数K=2，空间插值突出显示了从南海岸到天鹅沿海平原的梯度分化。Mantel检验支持整体隔离-by-距离模式（Mantel r=0.54，p<0.001）。EEMS分析显示天鹅沿海平原多个斑块、天鹅沿海平原与南部森林之间以及Porongorup山脉与南海岸其他个体之间存在基因流冷点，而天鹅沿海平原内一些半城市区域（如玛格丽特河、巴瑟尔顿和班伯里）存在基因流热点。
方差分配：全模型表明气候、地理和种群结构共同解释了数据集中18.3%的总遗传变异。气候、地理和种群结构的独立效应均高度显著。其中种群结构占可解释方差的最大比例（16.9%），其次是气候（14.8%）和地理（8.4%），其余可解释方差（59.9%）在变量间混杂，反映了预测因子间无法统计分离的共线性。
基因型-环境关联：控制中性种群结构后的pRDA是显著模型。RDA1占可解释变异的40.5%，与BIO2（月平均昼夜温差）相关性最强；RDA2占22.9%，与BIO12（年降水量）最相关；RDA3占22.5%，BIO2对其影响最大。共识别出481个推定的异常SNP。使用仅候选位点的适应性富集pRDA同样高度显著，RDA1与BIO5和BIO6相关，主要区分沿海和内陆地区；RDA2和RDA3均与BIO2相关，区分北部沿海和内陆地区与南部沿海和高降雨地区。适应性指数图谱显示了对生物气候变量响应的适应性梯度。
易位适应性错配：易位到Karakamia和Perup的ngwayir之间的适应性错配评分无显著差异（p=0.20）。对从Busselton易位到Perup的18个个体的亚分析显示，它们与其新环境显著错配（p<0.001），平均错配评分从Busselton的252增加到319。
基因组脆弱性：基因组脆弱性的图谱投影显示，脆弱性随时间和空间变化。在所有三种气候变化情景下，脆弱性预计随时间推移在一定程度上增加。在最温和的气候变化情景SSP126下，基因组脆弱性相对较低。在最极端的气候变化路径SSP585下，基因组脆弱性更高，尤其是在分布区的东北边缘。北部边缘的基因组脆弱性高于南部地区的模式在所有SSP中一致。在大多数预测中，大多数生物气候变量预计保持在ngwayir整个分布区所经历的条件范围内，但天鹅沿海平原北部的BIO5和BIO6预计将超出ngwayir目前在任何地方经历的条件范围，且更极端的气候变化情景下新条件的范围和速率更大。
讨论与结论
研究人员发现ngwayir表现出对至少四个气候变量的推定适应性变异，并可将这些关系外推到时间和空间上以确定适应性周转和气候变化脆弱性指数。结果显示，在所有气候变化情景下，未来基因组脆弱性将增加，北部地区（主要是天鹅沿海平原）的ngwayir比南部地区更脆弱。然而，没有发现与气候相关的适应性错配可以解释ngwayir易位成功率的差异。现实地说，管理现有种群面临的当前威胁是支持ngwayir在气候变化等长期威胁中生存的最佳方式。
种群结构和多样性分析表明，ngwayir呈隔离-by-距离模式，天鹅沿海平原管理区显著较低的观测杂合度可能反映了该区域位于ngwayir北部分布的尾缘，以及自19世纪初欧洲殖民以来持续的栖息地开垦。气候是局部适应的驱动因素，研究发现481个位点推定为对四种生物气候变量之一的响应而受到选择，适应性梯度主要区分内陆和沿海地区或高降雨和低降雨地区。基因组脆弱性的空间变异表明，分布区北部和内陆范围（包括天鹅沿海平原管理区的大部分）预计受气候变化影响最严重，特别是在SSP585下，班伯里、德韦灵普州立森林、哈维和科利等地区可能变得不适合ngwayir生存，导致物种分布向南收缩。天鹅沿海平原的高度城市化既带来保护挑战也带来机遇，城市地区可能提供替代食物来源，但也增加路杀和家养宠物捕食等威胁。
关于易位，从Busselton到Perup保护区和进入Karakamia的易位个体都与其新环境显著基因组错配，但适应性错配本身不太可能决定易位成功，短期动态更可能影响易位成功。Karakamia位于ngwayir欧洲殖民前分布区北限附近，该地区基因组脆弱性预计最大，结合大珀斯地区频繁的热浪和干旱，表明Karakamia现在可能在气候上不适合ngwayir。基于基因组脆弱性模式，玛格丽特河和沃尔波尔-丹麦之间的区域预计具有最低的基因组脆弱性，与历史湿润庇护所和高降雨区重合，如果建立额外保险种群，该区域似乎提供最大的气候适宜性和适应潜力。
研究结论指出，ngwayir的基因组脆弱性分析表明天鹅沿海平原的种群受气候变化威胁最大，需要额外保护努力，特别是考虑到该高度改变和广泛城市化管理区中现有威胁的叠加效应。整个ngwayir分布区需要整合管理现有威胁（可能与气候力量协同作用），以提高种群对气候变化的恢复力。如果气候变化继续加速，在无威胁减少的情况下，ngwayir可能经历大幅种群下降并面临分布区局部灭绝风险。然而，适应性梯度和基因组脆弱性分析表明，玛格丽特河和丹麦之间预计的未来气候可能提供合适的气候庇护所，前提是该地区存在合适的栖息地和生态条件且其他主要威胁得到缓解。
