圣劳伦斯湾北岸地区陆封和溯河型大西洋鲑种群之间的进化关系

《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

　　

大西洋鲑（Atlantic Salmon, Salmo salar）通常为溯河洄游型；然而，部分个体在淡水中完成其生命周期。一个被广泛记录的假说认为，这种定居（resident）策略是在末次冰期后通过与溯河型大西洋鲑种群的隔离，在各河流中独立起源的。然而，在加拿大圣劳伦斯湾（Gulf of St. Lawrence）北岸地区，定居策略的起源研究仍不充分。为解决此问题，研究人员对来自5个流域的189个定居个体和196个溯河洄游个体，利用43个微卫星（microsatellite）标记进行了基因分型。研究人员发现各河流内两种策略之间存在显著的遗传差异，这很可能源于与地理隔离相关的不同水平基因流，表明定居种群可能并非如预期那样始终处于隔离状态。此外，探索性种群统计推断分析（demographic inference）表明，定居种群可能拥有共同的祖先来源，这并不支持通常预期的严格独立起源模型。此种模式更符合两次波浪殖民事件（two-wave colonization）和/或祖先洲内基因流（ancestral intracontinental gene flow）。这些发现为关于大西洋鲑定居策略起源的观点增添了细微差别和复杂性，并对指导保护实践具有重要价值。

**论文解读：圣劳伦斯湾北岸大西洋鲑陆封与溯河洄游种群的进化关系**

**研究背景与问题**

遗传与表型多样性是物种在变化环境中维持稳定性与恢复力的基础。对于大西洋鲑（Atlantic Salmon, *Salmo salar*）而言，溯河洄游型通常被认为占主导地位，而部分个体采用定居策略，在淡水中完成整个生命周期。广泛接受的假说认为，定居种群是在末次冰期后，由于地壳均衡回弹导致水域退缩，大西洋鲑被隔离于上游湖泊或河段中，从而在各流域内独立起源，并与下游溯河型种群产生显著遗传分化。然而，加拿大圣劳伦斯湾（Gulf of St. Lawrence）北岸地区因其特殊的地理位置——位于北美与欧洲谱系的混合区，且历史上曾存在淡水物种的洲内扩散路线——为定居策略的起源提供了新的研究可能：即定居种群可能具有共同起源，而非独立起源。尽管该地区具有独特的特征，定居策略的演化研究仍非常匮乏。因此，研究人员旨在阐明圣劳伦斯湾北岸地区大西洋鲑定居与溯河洄游策略之间的关系，并揭示定居策略在该地区的起源模式。

**研究内容与结论**

研究人员采集了来自5个流域（Puyjalon、Corneille、Aguanish、Musquaro、Etamamiou）10个采样点的共计511尾大西洋鲑样本（包括196个溯河型个体、189个定居型个体，以及Corneille流域500尾幼鱼）。利用43个高多态性微卫星标记进行基因分型，通过主成分分析（PCA）、贝叶斯聚类（STRUCTURE）、配对F_ST计算、系统发育树构建、方向性基因流分析以及近似贝叶斯计算（ABC）等方法，解析种群遗传结构与演化历史。该研究发表于《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》。结果表明，在其所研究的流域尺度内，定居与溯河洄游种群之间存在显著的遗传分化，但区域尺度上定居种群彼此间的遗传相似性高于其与同流域溯河型种群的相似性，且ABC分析强烈支持定居种群共同起源模型（后验概率0.9971），而非独立起源模型。这揭示出该地区定居策略的起源可能涉及两次波浪殖民事件和/或祖先洲内基因流，对传统认知提出了挑战，并为保护管理提供了新视角。

**主要关键技术方法**

1. **微卫星基因分型**：利用Bradbury等（2018）开发的52个微卫星位点，通过多重PCR扩增并在Illumina MiSeq平台测序。对基因型数据进行质量过滤（剔除缺失率>15%的个体和位点），最终使用43个微卫星标记进行分析。
2. **种群遗传结构分析**：采用主成分分析（PCA）、贝叶斯聚类程序STRUCTURE、配对F_ST、邻接（NJ）和UPGMA系统发育树（基于Edward遗传距离及F_ST）以及方向性基因流估计（基于G_ST统计量）等方法。
3. **遗传多样性评估**：计算期望杂合度（H_e）、观测杂合度（H_o）、等位基因丰富度（原始与外推值）及有效种群大小（N_e，基于连锁不平衡法）。
4. **种群历史推断**：利用近似贝叶斯计算（ABC）框架（DIYABC v.2.1.0），比较定居策略独立起源与共同起源两种情景，模拟500万个数据集，基于144个汇总统计量进行模型选择与参数估计。
样本队列来源：样本于2004至2020年间采集自加拿大魁北克省圣劳伦斯湾北岸的5个流域，包括溯河型（Puyjalon、Corneille、Aguanish、Musquaro、Etamamiou）和定居型（Puyjalon、Corneille、Aguanish、Musquaro河与Musquaro湖）样本，以及Corneille流域瀑布上下方的幼鱼样本。

**研究结果**

**数据集（Dataset）**
最终数据集包含196个溯河型和189个定居型个体，以及Corneille流域500尾幼鱼（上游271尾，下游229尾）。所有个体在43个微卫星位点成功分型，共获得348个等位基因，总体缺失基因型率为0.384%。通过PCA鉴定第一代迁移个体并进行重新分配（如1个AGU-R个体归入AGU-A等），分析表明重新分配对结果无实质性影响。

**区域尺度种群结构（Population structure at regional scale）**
排除Corneille流域后，PCA显示所有定居与溯河型位点在PC1轴上分离（解释6.36%变异），定居位点之间在PC2轴也有分化（解释4.06%）。STRUCTURE分析最佳K=2，溯河型位点与COR-R归为一簇（平均成员比例95.59%），其他定居位点（PUY-R、AGU-R、MUS-LAK-R、MUS-RIV-R）为另一簇（平均98.38%）。进一步分层分析显示溯河型组内最佳K=4，定居组内最佳K=3（MUS-RIV-R与MUS-LAK-R未分离）。配对F_ST显示溯河型-定居型（平均值0.11）与定居型-定居型（0.12）显著高于溯河型-溯河型（0.04）。NJ和UPGMA系统发育树均显示定居种群彼此更接近，而非与其同流域的溯河型种群更近，在Corneille流域分化较弱。

**流域尺度种群结构（Population structure at watersheds scale）**
各流域内，定居与溯河型位点在PCA第一轴（解释10.60%-21.85%变异）上显著分化，MUS-LAK-R与MUS-RIV-R几乎完全重叠。STRUCTURE分析最佳K=3，区分两种策略，Corneille流域存在更多混合，COR-R平均成员比例为89.80%。配对F_ST值范围0.0007（MUS-LAK-R与MUS-RIV-R，CI包含0）至0.19（COR-A与PUY-R）。同流域内F_ST最小为COR-A–COR-R（0.065），最大为PUY-A–PUY-R（0.175）。值得注意的是，不同流域的定居位点之间（如PUY-R与MUS-RIV-R的0.128）有时低于同流域定居-溯河型之间的分化（如PUY-R与PUY-A的0.175），且分化程度与基因流可能性顺序一致（COR < MUS < AGU < PUY）。

**基因流（Gene flow）**
方向性相对基因流分析显示，所有流域中下游方向（定居→溯河型）的基因流均高于上游方向。下游基因流在Corneille（0.323）和Musquaro（0.393）最高，其次为Aguanish（0.231）和Puyjalon（0.142）。上游基因流在Puyjalon（0.044）和Aguanish（0.062）可忽略，Musquaro中等（0.131），Corneille较高（0.279），与该流域的物理障碍程度完全吻合。溯河型位点间的基因流（0.415-0.996）远高于定居位点间（0.035-0.054）。

**遗传多样性（Genetic diversity）**
所有位点合并后，等位基因丰富度在两种策略间无显著差异。但流域内，Puyjalon和Aguanish流域定居型等位基因丰富度显著低于溯河型。期望杂合度（H_e）和观测杂合度（H_o）在溯河型中显著高于定居型。有效种群大小（N_e）方面，除PUY-R和AGU-R因等位基因过滤问题无法获得可靠估计外，其余定居位点N_e值（8.5-19.8）显著低于溯河型（41.6-139.0）。此外，在定居专属位点AGU-R、MUS-LAK-R和MUS-RIV-R中发现两个私有等位基因（来自位点Ssa_15_3.64和Ssa_26_1.51），频率0.01-0.06，在溯河型中完全缺失。

**种群统计历史推断（Demographic inferences）**
ABC分析比较了两种情景：情景1（独立起源）和情景2（共同起源）。基于5百万模拟数据集，情景2得到强烈支持，后验概率为0.9971（CI=0.9966-0.9977），而情景1仅为0.0029（CI=0.0023-0.0035）。参数后验分布显示所有估计值均在先验范围内，模拟数据与观测数据匹配良好。

**讨论与结论**

**讨论**
研究结果揭示定居与溯河型大西洋鲑在各流域内存在显著遗传分化，且定居种群遗传多样性及有效种群大小较低，这与多数研究一致。然而，在区域尺度上，定居种群彼此间的遗传分化小于同流域内定居与溯河型之间的分化，ABC分析支持共同起源模型，与独立起源期望不符。这一模式可能源于两次波浪殖民事件：一个谱系先殖民各流域并定居，随后第二波形成溯河型种群；或历史上存在洲内基因流，在冰后水域退缩前，定居种群之间通过内陆路线发生基因流。此外，基因流方向性分析及Corneille幼鱼样本显示，部分流域中定居与溯河型之间存在有限但非完全的基因流，挑战了定居种群完全隔离（陆封）的传统观点，扩展了Adams等（2016）的观察。在管理方面，若需人工增殖，基于共同起源情景，应优先考虑邻近流域的定居种群作为种源，而非下游同流域的溯河型个体，以维持种群遗传独特性。

**研究结论**
（翻译自原文讨论最后部分及摘要结论）本研究通过种群遗传结构方法揭示了圣劳伦斯湾北岸地区大西洋鲑定居与溯河洄游策略之间的关系。各流域内两种策略存在显著的遗传差异，但区域尺度上定居种群彼此更相似，且ABC分析强烈支持定居策略共同起源模型，而非传统的独立起源模型，其模式更符合两次波浪殖民事件和/或祖先洲内基因流。这些发现为理解大西洋鲑定居策略的起源带来了细微差别和复杂性，并强调需通过更复杂的基因组数据和包含选择、古基因流及当代基因流的模型来进一步阐明该区域种群统计历史的复杂性。在保护实践中，若需进行人工放流，基于共同起源情景，使用邻近的定居种群可能比使用同流域下游溯河型种群更为合适。