圣劳伦斯湾北岸地区陆封型(landlocked)与大西洋鲑(Salmo salar)溯河产卵型(anadromous)种群间的进化关系

《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》：Evolutionary relationships between landlocked and anadromous Atlantic Salmon populations in the North Shore region of the Gulf of St. Lawrence

　　

摘要：大西洋鲑(Salmo salar)通常为溯河产卵型(anadromous)，但部分个体可在淡水完成生活史。已有广泛记载的假说认为此类定居型(resident tactic)是末次冰期后各河流中溯河种群因地理隔离独立起源的，然而圣劳伦斯湾北岸(加拿大)地区定居型的起源研究较少。为此，研究人员利用43个微卫星标记(microsatellite marker)对来自5个流域的189尾定居型和196尾溯河型个体进行基因分型。研究发现同一河流内不同洄游对策(tactic)间存在显著遗传分化，可能由地理隔离程度不同的基因流水平所致，提示定居型未必如预期那样始终完全隔离。此外，探索性群体推断(demographic inference)分析提示定居型可能拥有共同祖先来源，不支持严格的独立起源模型，更符合两次 colonization浪潮和/或古代大陆内基因流(intracontinental gene flow)情景。这些发现丰富了对大西洋鲑定居型起源的认识，并为保护管理提供依据。

本文研究发表于《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》。

研究背景与意义

大西洋鲑(Salmo salar)典型的洄游对策为溯河产卵型(anadromous)，即入海生长后洄游至淡水繁殖；部分种群则演化为终生生活在淡水中的定居型(resident tactic，俗称陆封型 landlocked)。传统广为接受的"独立起源模型"认为，末次冰期后各河流上游的溯河种群被冰川退缩形成的瀑布或湖泊屏障隔离，独立分化为陆封定居种群，因此不同流域的定居种群应彼此高度分化，且与同流域下游溯河种群亲缘最近。然而圣劳伦斯湾北岸(魁北克省，加拿大)地区位于北美与欧洲谱系混合带，历史上可能存在大陆内基因流及两波 colonization，该区域定居型起源是否符合独立起源模型尚缺乏在小地理尺度(<200 km)上的验证。明确定居型起源模式直接影响保护管理策略——若独立起源则应以同流域溯河鱼苗增殖放流，若有共同起源则需重新评估。本研究通过在细地理尺度上对多个流域的溯河与定居种群进行群体遗传学分析，检验独立起源与共同起源两种假说。

主要技术方法

研究人员采集圣劳伦斯湾北岸 Puyjalon(PUY)、Corneille(COR)、Aguanish(AGU)、Musquaro(MUS)、Etamamiou(ETA) 五个流域的溯河型(anadromous, A)与定居型(resident, R)大西洋鲑样本共511尾(最终过滤保留196尾溯河+189尾定居)，部分流域含瀑布上下游稚鱼。提取基因组DNA后经PCR扩增52个微卫星位点，测序筛选保留43个高多态性微卫星标记(microsatellite locus)，过滤缺失数据>15%的个体与位点，对过大样本组随机重抽样均衡，对含缺失数据集做基于等位基因频率加权的插补(imputation)。主要分析方法包括：(1)主成分分析(PCA, R包 ade4)进行个体聚类与首代迁移者再指派；(2)贝叶斯聚类分析(STRUCTURE程序)以Evanno ΔK法确定最佳K值，分别做全数据集、分层分组及单流域内分析；(3)计算两两群体间F_ST(Nei 1987方程，R包 hierfstat)并Bootstrap置信区间，Wilcoxon秩和检验比较洄游对策组间分化；(4)基于Edwards遗传距离构建邻接树(NJ)和UPGMA树(R包 poppr)，以Rimouski河溯河种群为外群(outgroup)；(5)定向基因流估算(R包 diveRsity，基于G_ST与Jost's D)；(6)遗传多样性指标——期望杂合度(H_e)、观察杂合度(H_o)、等位基因丰富度(allele richness, 实测与外推法)、有效种群大小(N_e，LD法，NeEstimator v2.1)；(7)近似贝叶斯计算(Approximate Bayesian Computation, ABC, DIYABC v2.1)对比"独立起源"(Scenario 1：各流域先分歧再各自溯河–定居分化)与"共同定居起源"(Scenario 2：所有定居种群共祖后再与各溯河种群分化)两情景，模拟5×10⁶数据集，用logistic回归选模。

研究结果

Dataset（数据集）

最终分析数据集含196尾溯河型和189尾定居型个体，43个微卫星位点，平均每位点8个等位基因(共348个)，缺失率0.384%。PCA识别出3尾潜在首代迁移者并将其重新指派至聚类对应的采样点，对后续F_ST与遗传多样性计算无实质影响。

Population structure at regional scale（区域尺度种群结构）

PCA第一主轴明显分开洄游对策（定居型聚为一簇，溯河型及COR-R聚为另一簇），第二主轴分开不同定居种群。STRUCTURE最佳K=2，一群为所有溯河位点+COR-R(平均个体归属95.59%)，另一群为其余定居位点(平均归属98.38%)；二级分层显示溯河组内可分4亚群，定居组内可分3亚群(MUS-RIV-R与MUS-LAK-R不分)。两两F_ST：溯河–定居(均值0.11)与定居–定居(均值0.12)相当且均显著高于溯河–溯河(均值0.04, P<0.002)；NJ与UPGMA树均显示定居种群间相似度高于其与同流域溯河种群的相似度(除COR流域外)。这表明区域上定居种群具共同遗传背景，不支持严格独立起源模型。

Population structure at watersheds scale（流域尺度种群结构）

各流域内单独做STRUCTURE(K=2区分对策)与PCA，显示同流域内溯河与定居存在显著分化(F_ST0.065~0.175, CI均不重叠0)，但分化程度随障碍通透性增加而降低：COR(瀑布可部分逾越，F_ST=0.065)< />< />< />< />_ST=0.175)。值得注意的是PUY-R与异流域MUS-RIV-R、MUS-LAK-R、AGU-R的分化程度(F_ST=0.128~0.15)低于PUY-R与同流域PUY-A(F_ST=0.175)，AGU-R亦然。说明流域内定居与溯河分化明显，但定居种群彼此亲缘更近。

Gene flow（基因流）

定向相对基因流分析显示上游(定居)向下游(溯河)基因流高于反向：COR(0.323下/0.279上)、MUS(0.393下/0.131上)、AGU(0.231下/0.062上)、PUY(0.142下/0.044上)；溯河种群间基因流很高(0.415~0.996)，定居种群间极低(0.035~0.054)。COR流域瀑布上下游稚鱼无遗传结构(F_ST=0.002)，表明成体分化可能源于瀑布对部分成鱼的物理限制及杂交子代适合度差异。

Genetic diversity（遗传多样性）

整体比较：期望杂合度H_e(t=3.73, P=0.0004)与观察杂合度H_o(t=8.10, P<0.0001)溯河型显著高于定居型；等位基因丰富度(raw: P>0.05, extrapolated: P>0.05)整体无显著差异，但PUY与AGU流域内定居型(raw allele richness)显著低于同流域溯河型。有效种群大小(N_e，LD法)：定居型8.5~19.8，溯河型41.6~139.0，置信区间不重叠；PUY-R与AGU-R因低多态性无法可靠估算N_e。三处隔离定居种群(AGU-R、MUS-LAK-R、MUS-RIV-R)共享两个私有等位基因(private allele)，在溯河种群中不存在，暗示共同祖先而非各自独立从下游溯河种群隔离。

Demographic inferences（群体历史推断）

排除具较高当代基因流的COR流域后，ABC分析比较两情景：共同定居起源情景(Scenario 2)后验概率=0.9971(95% CI: 0.9966–0.9977)，独立起源情景(Scenario 1)后验概率=0.0029(95% CI: 0.0023–0.0033)。强有力支持该区域定居种群源自共同祖先的分化事件(两波colonization和/或古代大陆内基因流)，而非各流域溯河种群独立隔离形成。

讨论与结论总结（翻译浓缩）

本研究表明各流域内溯河与定居型存在显著遗传分化且定居型遗传多样性和N_e较低，符合既有认知；但区域尺度上定居种群彼此较同流域溯河种群更为相似，且ABC分析强烈支持共同定居起源情景(后验概率0.9971)，不支持严格独立起源模型。此模式更符合两波postglacial colonization(其中一波形成共同祖先定居种群)和/或古代大陆内基因流(intracontinental gene flow)的假设。此外，基因流方向性与屏障通透性吻合，完全隔离非维持定居型的必要条件，COR流域瀑布处稚鱼呈panmixia而成体分化，提示物理障碍与选择作用共同塑造。管理上，若该区定居种群具共同起源且与同流域溯河种群遗传距离较远，增殖放流应优先考虑遗传最近的同源对策种群(其他流域定居种或本地溯河种)而非默认用同流域溯河鱼。研究结论：圣劳伦斯湾北岸大西洋鲑定居(陆封)种群很可能拥有共同祖先来源，起源于溯河种群的一次共同分化事件或伴随古代大陆内基因流的两波colonization，而非各河流独立隔离起源；流域内溯河与定居型存在不同程度基因流与分化；此发现对物种保护管理中制定差异化增殖与栖息地连通性恢复方案具重要指导意义。