大西洋森林树懒的基因组侵蚀：历史与近期人类活动对北方和南方鬃毛三趾树懒的遗传多样性、近交和遗传负荷的影响

《Molecular Ecology》：Genomic Signatures in Maned Three-Toed Sloths From Ancient to Recent Environmental Changes in Brazil's Threatened Atlantic Forest

　　本文通过全基因组重测序技术，深入探讨了濒危物种北方鬃毛三趾树懒（Bradypus torquatus）与新近描述的南方鬃毛树懒（B. crinitus）的进化历史、种群结构和遗传健康。研究揭示了两者在更新世早期（约1.88百万年前）发生分化，并经历了不同的种群规模波动历史。尽管北方种群拥有更高的历史遗传多样性，但近期森林砍伐导致其近交水平急剧上升，并携带更高的隐性（masked）和已实现（realised）遗传负荷（genetic load）。相比之下，长期处于小种群状态的南方种群显示出较低的遗传负荷，暗示了有害突变被清除（purging）的可能。该研究强调了结合古代和近期进化历史来评估物种灭绝风险的重要性，并为大西洋森林生物多样性保护提供了关键的基因组学见解。

　　

3.1 变异检测

通过对10只鬃毛三趾树懒（北方和南方各5只）进行全基因组重测序，获得了平均约21.4倍基因组覆盖度的数据。经过严格过滤后，获得了2,845,496个高质量的双等位单核苷酸多态性（SNP），用于后续的种群结构分析。亲缘关系分析表明，所有被测个体之间不存在近亲关系。

3.2 遗传分化与多样性

种群结构分析（主成分分析PCA和ADMIXTURE）结果清晰地证实了南方和北方鬃毛树懒之间存在显著的遗传分化。第一主成分（解释49%的方差）将南北谱系分开，而第二主成分（解释16.7%的方差）则将来自巴伊亚州南部的乌纳（Una）地区的个体与来自巴伊亚州北部的马塔-迪圣若昂（Mata de S?o Jo?o, MST）的个体区分开来。ADMIXTURE分析结果支持存在三个遗传簇，且没有共享祖先成分。

基因组水平的杂合度分析表明，北方鬃毛树懒的平均杂合度高于南方鬃毛树懒。与此一致，基于纯合片段（Runs of Homozygosity, RoH）估算的近交水平（F_RoH）在北方种群中低于南方种群。通过将RoH片段长度转换为世代数，可以估算个体父系和母系谱系共享共同祖先的时间。分析显示，南方种群比北方种群拥有更多短RoH（即更古老的近交事件）。然而，Darwindow软件的分析结果揭示，北方谱系在过去10-15代内近交水平出现近期上升，甚至在最近5代内，北方的近交水平已超过南方。相比之下，南方种群的个体表现出多样化的祖先历史，部分个体近交水平稳定或略有下降。值得注意的是，两个采样时间较早（2003年）的个体在其谱系中表现出最低的近交水平。使用PLINK软件的另一种分析方法也观察到了类似的近交水平转变模式，但时间尺度略有差异，这种差异可能源于两种方法在滑动窗口策略和参数设置上的不同。

3.3 物种间分化时间

基于常染色体SNP的系统发育分析表明，北方和南方鬃毛树懒形成了各自独立、支持度高的单系群。二者在约188万年前（95%最高后验密度HPD：113万至278万年前）发生分化。来自乌纳的个体与来自MST的北方种群在约26.6万年前（95% HPD：14万至41万年前）发生分化。这一结果比早期基于少量基因的研究结果更为精确，支持了分化事件与更新世气候波动及地理障碍（如多西河河谷Doce river valley）导致的隔离事件相关。

3.4 古代种群历史

利用MSMC2方法推断的有效种群大小（N_e）历史轨迹显示，北方和南方鬃毛树懒均从大约50万年前（早更新世）开始经历种群下降。其中，南方谱系的下降更为剧烈，并且在末次盛冰期（LGM）之后出现了一次种群扩张，而北方谱系则未观察到明显的后期扩张。这一模式与大西洋森林的“避难所”假说一致：历史时期，多西河以北地区存在较大的森林避难所，种群规模相对稳定；而以南地区森林栖息地不稳定，在LGM期间栖息地大幅收缩，迫使种群规模减小，而后随着森林扩张，种群得以恢复和增长。这也解释了为何北方种群拥有更高的历史遗传多样性。

3.5 遗传负荷

为了评估两个谱系的基因组健康差异，研究分析了推测的有害变异。通过功能注释，将变异分为高影响（如功能丧失突变，LoF）和中等影响（如错义突变）类别，并分别统计了每个类别中纯合衍生基因型（作为“已实现遗传负荷”的代理指标）和杂合基因型（作为“隐性遗传负荷”的代理指标）的数量，以及衍生有害等位基因的总数。

结果显示，北方鬃毛树懒在所有指标上（纯合衍生、杂合基因型数量及衍生等位基因总数）均高于南方鬃毛树懒。为了消除因使用南方树懒参考基因组可能带来的偏差，研究采用了重新定义祖先状态和使用R_xy统计量进行标准化比较的方法。R_xy分析证实，与南方谱系相比，北方谱系中存在LoF和错义突变的相对频率过剩（R_xy > 1）。

此外，在每个谱系内部，发现近交水平（F_RoH）与LoF和错义突变的纯合衍生基因型数量呈正相关，而与杂合基因型数量呈负相关，这与近交导致杂合度降低、纯合度增加的预期一致。

南方谱系表现出较低的遗传负荷，可能与其长期的小种群历史和较高的历史近交水平有关。近交使得部分隐性有害等位基因得以纯合并被自然选择清除（即“清除效应”），从而降低了遗传负荷。而历史上种群规模较大的北方谱系，携带了更多的有害突变，近期快速的种群下降和近交增加可能导致这些有害等位基因更快地固定，从而面临更高的适应性代价。

4.1 更新世对鬃毛树懒分化、遗传多样性和种群历史的影响

北方和南方鬃毛树懒在更新世早期的分化，与气候波动导致的大西洋森林收缩和扩张以及多西河河谷等地理障碍的 vicariant 事件密切相关。MSMC2揭示的种群历史支持了Carnaval和Moritz提出的大西洋森林避难所假说，即北方地区存在更稳定的避难所，而南方地区栖息地不稳定，这塑造了南北谱系不同的遗传多样性模式和种群波动历史。南方谱系较低的遗传负荷可能是在长期小种群状态下通过清除效应实现的，这与一些对历史上种群较小的物种（如岛狐、猎豹等）的研究发现类似。

4.2 鬃毛树懒近期面临的保护挑战

尽管北方鬃毛树懒拥有更高的历史遗传多样性，但基因组分析（特别是RoH）揭示其在过去几十年近交水平急剧上升，这很可能与北大西洋森林近几十年来的严重森林砍伐导致的栖息地丧失和碎片化相关。这种快速的基因组侵蚀对历史上大种群尤为危险，因为其携带的大量隐性有害负荷可能在未来导致近交衰退。

相比之下，南方鬃毛树懒虽然长期面临低遗传多样性和高近交水平的挑战，但对其部分个体的分析（如来自波苏达斯安塔斯生物保护区Po?o das Antas Biological Reserve, PABR的个体）显示，近交水平近期保持稳定或略有下降。这可能与该保护区自1974年建立以来，特别是通过金狮面狨保护项目进行的再造林和生态廊道建设等保护努力有关。这些措施改善了栖息地连通性，证明了有效保护行动对遏制基因组侵蚀的积极作用。然而，贯穿PABR的BR-101高速公路等基础设施仍然是基因流动的障碍和直接的死亡率来源，需要关注。

鉴于南北谱系显著的遗传分化和独立的进化历史，有必要重新评估其保护 status。目前世界自然保护联盟红色名录将其列为单一物种“易危”，若确认为两个物种，其各自分布范围将缩小，可能需列入受威胁更严重的类别。保护策略应认识到北大西洋森林（特别是巴伊亚州）作为历史避难所拥有更高遗传多样性的重要性，并加强该区域的保护力度，同时继续巩固南方区域保护区的成效。

4.3 碎片化种群中的基因组侵蚀及其保护意义

本研究展示了基因组学指标（遗传多样性、近交、遗传负荷）如何揭示物种在不同时间尺度上经历的基因组侵蚀模式。北方谱系展现了近期人类活动（森林砍伐）触发的快速基因组侵蚀迹象，而南方谱系则体现了长期小种群历史下的深层基因组侵蚀后果。研究结果强调，在评估物种灭绝风险时，必须结合古代和近期的进化历史来解读遗传指标。北方种群较高的遗传负荷提示其可能面临更大的近交抑郁风险，而南方种群较低的遗传负荷则显示了小种群在长期隔离下可能通过清除效应维持生存潜力。这凸显了将遗传负荷分析纳入物种生存力预测框架的重要性。

总之，鬃毛树懒当前的遗传格局深深烙有大西洋森林历史的印记。更新世的环境变化驱动了种群分化和多样性分布，而当代的森林砍伐是其主要威胁，但再造林等保护措施已显示出积极的恢复效果。为了缓解栖息地丧失，保护鬃毛树懒种群的遗传完整性，必须在整个大西洋森林范围内有效执行保护措施并扩大保护区网络。