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線(xiàn)粒體基因組研究揭示西伯利亞狍的群體進(jìn)化歷史

2022-07-11

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《Genes》

影響因子:4.141



派森諾生物與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院合作,在微生物基因組領(lǐng)域的《Genes》發(fā)表新研究成果!

本研究對(duì)中國(guó)東北地區(qū)的四只狍遺骸進(jìn)行了線(xiàn)粒體基因組測(cè)序,以探索古代狍與現(xiàn)存種群的遺傳聯(lián)系,為研究狍的進(jìn)化歷史和種群動(dòng)態(tài)提供了新的視角。



研究背景




早更新世以來(lái),中國(guó)就有狍。狍是偶蹄有蹄類(lèi)動(dòng)物中唯一的胚胎滯育物種。根據(jù)化石記錄,它們首次出現(xiàn)在大約330-240萬(wàn)年前(Ma)的俄羅斯東部烏冬加,而分子數(shù)據(jù)表明其起源于大約4-2萬(wàn)年前(Ma)。狍包含兩個(gè)現(xiàn)存物種:歐洲狍(C.Capreolus),棲息于歐洲大部分地區(qū);西伯利亞狍(C.pygargus),分布于亞洲古北界和東歐部分地區(qū)。在分子意義上,西伯利亞狍的研究不如歐洲狍,其種內(nèi)分類(lèi)學(xué)仍有爭(zhēng)議。迄今為止,根據(jù)細(xì)胞遺傳學(xué)特征和形態(tài)學(xué),已確定了西伯利亞狍的六個(gè)亞種:C. p. pygargus、C. p. tianschanicus、C. p. ochracea、C. p. bedfordi、 C. p. mantschuricus和C. p. melanotis,后三個(gè)亞種存在一定爭(zhēng)議。

盡管有大量的中國(guó)狍化石可用于詳細(xì)的形態(tài)學(xué)分析,但對(duì)于該物種的化石個(gè)體,例如其分類(lèi)地位以及與當(dāng)代狍的關(guān)系知之甚少。到目前為止,所有關(guān)于中國(guó)狍的分子研究都集中在現(xiàn)代標(biāo)本上,目前還沒(méi)有使用古DNA對(duì)中國(guó)狍進(jìn)行遺傳學(xué)研究。本研究從中國(guó)東北采集的狍化石標(biāo)本中組裝出四個(gè)古老的線(xiàn)粒體基因組。從時(shí)間和地理角度研究了狍遺傳譜系之間的關(guān)系和分歧事件,還重建了該物種的種群動(dòng)態(tài)。這項(xiàng)研究中提出的新發(fā)現(xiàn)為深入了解西伯利亞狍的進(jìn)化歷史提供了進(jìn)一步的見(jiàn)解。




研究材料與方法


實(shí)驗(yàn)材料

在中國(guó)東北黑龍江省綏化市青岡縣采集了四個(gè)狍子的亞化石標(biāo)本:CADG573、CADG580、CADG626和 CADG842。根據(jù)AMS14C年代測(cè)定,校準(zhǔn)后的中位年齡分別距當(dāng)代9478、11270、6816和9065年。

測(cè)序平臺(tái)

Illumina HiSeq

分析內(nèi)容

化石標(biāo)本線(xiàn)粒體測(cè)序組裝、進(jìn)化樹(shù)分析、種群動(dòng)態(tài)分析等。




研究結(jié)果



代表性樣本的地理分布


本研究使用的兩種狍:歐洲狍和西伯利亞狍,其中圖中紅色三角形表示的為本研究中的四個(gè)狍采樣點(diǎn)。其他的狍由四種不同顏色的點(diǎn)表示,數(shù)據(jù)來(lái)自已發(fā)表的文章。本文有四個(gè)數(shù)據(jù)集分別用于不同分析:

數(shù)據(jù)集1包括了已發(fā)表的22個(gè)線(xiàn)粒體基因組,其中11只為西伯利亞狍、9只歐洲狍、1只中國(guó)牙獐、1只遠(yuǎn)東駝鹿,另加本研究中新獲得的4個(gè)古線(xiàn)粒體基因組。該數(shù)據(jù)集保留了最完整的序列,用于狍種群的系統(tǒng)發(fā)育和分子測(cè)年分析。

數(shù)據(jù)集2包括了來(lái)自具有詳細(xì)地理信息的146個(gè)樣本的cytb基因和D環(huán)序列,其中141只為現(xiàn)代西伯利亞狍(涵蓋韓國(guó)、蒙古、哈薩克斯坦、西伯利亞和波蘭),本研究中新獲得的四只中國(guó)狍化石樣本,以及一只歐洲狍作為外類(lèi)群。該數(shù)據(jù)集在西伯利亞狍的大部分地理范圍內(nèi)菌采集了大量個(gè)體,用于研究西伯利亞狍的系統(tǒng)地理結(jié)果。

數(shù)據(jù)集3包括了11只現(xiàn)代西伯利亞狍完整線(xiàn)粒體基因組和本研究的四個(gè)古化石樣本,用于重建西伯利亞狍的母系種群歷史。

數(shù)據(jù)集4包括了現(xiàn)代9個(gè)現(xiàn)代歐洲狍的完整線(xiàn)粒體基因組,用于重建歐洲狍的母系種群歷史。


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圖1 兩種狍(C.capreolus和C.pygargus)的地理分布范圍



東北狍的系統(tǒng)發(fā)育分析


先前的分子鑒定表明,現(xiàn)存的中國(guó)東北狍為西伯利亞狍,但是否為亞種任存在爭(zhēng)議。本研究基于數(shù)據(jù)集1構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),表明狍主要分為兩大類(lèi)即歐洲狍和西伯利亞狍,而西伯利亞狍又進(jìn)一步分為三個(gè)不同的亞類(lèi),亞類(lèi)P3占據(jù)稍早的發(fā)散位置,而亞類(lèi)P1和P2彼此是姊妹。有趣的是,本研究的四個(gè)古代樣本屬于西伯利亞狍的兩個(gè)不同亞類(lèi),CADG573和626位于P2亞類(lèi),而580和842位于P3亞類(lèi)。分歧時(shí)間樹(shù)表明:西伯利亞狍和歐洲狍在2.25 Ma分開(kāi),這與之前的分子結(jié)果一致。而西伯利亞狍P1、P2和P3亞類(lèi)分別在0.10 Ma、0.17 Ma和0.30 Ma分開(kāi)。


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圖2 基于26只完整的線(xiàn)粒體基因組構(gòu)建分歧進(jìn)化樹(shù)



東北狍的系統(tǒng)地理學(xué)分析(狍的分歧進(jìn)化分析)


基于數(shù)據(jù)集2,繪制了單倍型群的地理分布圖。單倍型B和C在地理上廣泛分布,橫跨貝加爾湖兩側(cè),而單倍型A和D僅在貝加爾湖東部發(fā)現(xiàn)。貝加爾湖兩岸的種群由具有不同單倍型群組成。具體來(lái)說(shuō),除了孤立群體SKJ外,西方群體中的大多數(shù)個(gè)體屬于單倍型群B,而所有單倍型群都存在于東方群體中。濟(jì)州島只檢測(cè)到一個(gè)單倍型群(單倍型群B),這可能是由于地理隔離導(dǎo)致種群之間的基因流動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)減少,或者是由于創(chuàng)始人效應(yīng)和遺傳漂變等過(guò)程。本文四個(gè)古樣本分別屬于單倍體D、單倍體C、單倍體A和單倍體C。

本分析將西伯利亞狍分為四個(gè)單倍型群(A、B、C和D),與上文基于完整線(xiàn)粒體基因組分析只有三個(gè)亞類(lèi)(P1、P2和P3)不一致。但比較兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),發(fā)現(xiàn)重疊樣本的系統(tǒng)發(fā)育位置是一致的,且單倍體B對(duì)應(yīng)亞類(lèi)P1,單倍體A和D對(duì)應(yīng)子P2,單倍體C對(duì)應(yīng)P3。雖然考慮到完整的線(xiàn)粒體基因組太少可能導(dǎo)致分支細(xì)節(jié)不完整,并且D-loop的快速進(jìn)化率使其更有效地區(qū)分具有密切親緣關(guān)系的個(gè)體,但數(shù)據(jù)集1和2的前兩個(gè)結(jié)果不矛盾。


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圖3 具有精確地理位置的西伯利亞狍標(biāo)本的系統(tǒng)地理分布和貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)



狍的母系進(jìn)化史分析


分別基于15個(gè)西伯利亞狍(11只現(xiàn)代種和本研究的四個(gè)古樣本)和9只現(xiàn)代歐洲狍的完整線(xiàn)粒體基因組,重建兩種狍的母系種群歷史。貝葉斯天際線(xiàn)圖(BSP)揭示了西伯利亞和歐洲狍母系Ne規(guī)模隨時(shí)間的變化。歐洲狍的Ne規(guī)模在約10 Kya至5 Kya期間發(fā)生重大擴(kuò)張,隨后至今種群規(guī)模相對(duì)穩(wěn)定。而西伯利亞狍的種群在約325 Kya至225 Kya期間增加,在約50 Kya至18Kya期間短暫減少一半,隨后一直保持不變。兩者的不一致可能是種群擴(kuò)張和種群細(xì)分的結(jié)果。此外,全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)可能在西伯利亞狍種群規(guī)模縮小中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。確定的瓶頸期(從約50 Kya到約18 Kya)與從氣候不穩(wěn)定的MIS3過(guò)渡到約29 Kya的更穩(wěn)定的MIS2冷期時(shí)期相吻合。與溫帶其他物種類(lèi)似,西伯利亞狍群體在間冰期擴(kuò)張,在冰期收縮成隱蔽和孤立的避難所。大量考古發(fā)現(xiàn)表明,這一時(shí)期歐亞大陸人類(lèi)活動(dòng)頻繁;因此,人類(lèi)活動(dòng)可能對(duì)西伯利亞狍的種群規(guī)模產(chǎn)生了負(fù)面影響。


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圖4 根據(jù)線(xiàn)粒體基因組重建的西伯利亞和歐洲狍的母系有效群體大小分析




研究結(jié)論




1.本研究提供了實(shí)時(shí)分子記錄,用于追蹤狍種群內(nèi)的分化和種群歷史。

2.古代狍與現(xiàn)代狍具有密切的遺傳背景,這意味著該物種自晚更新世以來(lái)即使種群規(guī)模經(jīng)歷了多種動(dòng)態(tài),但依然保持穩(wěn)定的線(xiàn)粒體分支。

3.揭示了氣候變化與狍進(jìn)化事件之間的聯(lián)系。確定的瓶頸期與氣候從不穩(wěn)定階段向更穩(wěn)定的寒冷期過(guò)渡相吻合,這表明寒冷期可能導(dǎo)致狍種群數(shù)量的大幅度減少。



本研究的測(cè)序由上海派森諾生物科技有限公司完成。如需進(jìn)一步討論,歡迎發(fā)郵件或者致電我們喲(郵箱地址:[email protected],聯(lián)系電話(huà):025-58185663-832)!



文章索引:Deng M.X., Xiao B., Yuan J.X., et al. (2022).Ancient Mitogenomes Suggest Stable Mitochondrial Clades of the Siberian Roe Deer. Genes. 13(1):114. doi: 10.3390/genes13010114.




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