拉斯维加斯著名贝拉吉奥喷泉旁发生枪击事件,2人死亡

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环境柯特兰黄鸟在其DNA中揭示了令人惊讶的近亲繁殖模式

柯特兰黄鸟在其DNA中揭示了令人惊讶的近亲繁殖模式

一项由宾州州立大学的研究人员进行的最新研究揭示,曾经濒危的鸣禽基因组显示出显著的近亲繁殖证据。这一发现至关重要,因为近亲繁殖可能对生存和繁殖率产生不利影响,从而为基尔特兰鹪鹩的持续保护策略提供信息,这些鸟类的种群仍然依赖于积极的管理。

基尔特兰鹪鹩(也称为斑松鹪鹩)专门在位于密歇根州的年轻斑松森林中繁殖。由于栖息地损失,这一物种在1970年代几乎面临灭绝,棕头牛鹨继续在其他鸟类(包括鹪鹩)的巢中产卵,从而垄断资源,进一步加剧了这一问题。基尔特兰鹪鹩在1973年的《濒危物种法案》下被认定为濒危物种。然而,由于多年来有针对性的持续保护努力,它们的种群已经恢复。研究作者指出,在2019年,该物种被“解除保护”,这意味着它不再被视为濒危物种,但持续的管理仍对其生存至关重要。

“任何时候一个种群经历少数繁殖个体的时期,称为‘瓶颈’,都存在近亲繁殖的风险,这可能减少后代的生存机会,”宾州州立大学生物学研究生、论文主要作者安娜·玛丽亚·卡尔德隆解释道。“2019年决定将基尔特兰鹪鹩从濒危物种名单中移除,是基于一项发现近亲繁殖证据有限的研究,但早期的检测并不详尽。我们的团队采用了先进的测序方法,以更全面地理解这些鸣禽的遗传多样性和近亲繁殖潜力。”

像所有动物一样,鸟类从每位父母那里继承一个基因组副本。某些遗传变异对动物的生存或繁殖能力可能是有害的。近亲繁殖加大了从父母那里继承相同有害变异的可能性,这种情况发生在遗传相似的个体交配时。

早期评估遗传多样性的方法——例如用于解除保护决定中引用的方法——通常关注于数量有限的特定标记,称为微卫星,仅代表整体情况的一个片段。然而,测序技术的进步现在使得对多个个体的整个基因组的成本效益分析成为可能。

“如果我们把基因组视为生命蓝图的电影描述,那么使用微卫星就像仅凭几张快照来理解故事情节,而测序整个基因组就像享受完整的4K电影,”宾州州立大学生物学路易斯·马塔拉诺职业发展教授、该研究项目的共同领导者大卫·托伊斯评价道。“测序整个基因组揭示了大量额外信息,而现代技术使这种分析变得更加可及。”

研究团队测序了基尔特兰鹪鹩的整个基因组,并对两种密切相关的物种——带顶鹪鹩和美洲红尾莺的基因组进行了研究,这两种鸟类维持着较大而稳定的种群。他们特别关注了一种称为“同源区段”的近亲繁殖参数。

当从母亲那里继承的遗传材料与从父亲那里继承的遗传材料相同时,基因组上的位置称为纯合。在同源区段(ROH)是指延续的纯合片段,有时跨越数百万个遗传字母。特别长的ROH的出现表明近期近亲繁殖,因为这些片段更可能源于遗传相似个体之间的交配。相反,较少和较短的ROH则表明个体的父母之间的亲缘关系较远。

“同源区段为我们提供了独特的历史视角,并可以作为种群基因组健康的指标,”宾州州立大学生物学助理教授、研究团队的共同领导者扎卡里·斯皮赫说。“例如,长ROH与其他物种在其生命第一年中的生存率有关。它们还可以突出有害的遗传变异,而这些变异在鸟类的保护中可能具有重要意义。”

研究人员在基尔特兰鹪鹩中发现了异常长的ROH,表明近期的近亲繁殖,这在该物种中此前未被认可。他们还发现基尔特兰鹪鹩中有许多小到中型的ROH,而他们的两种密切相关物种几乎没有这样的模式。

“基尔特兰鹪鹩与其最亲近的亲属之间的差异显著,这些亲属并未经历种群瓶颈。”托伊斯说。“我们在带顶鹪鹩或美洲红尾莺中未发现近亲繁殖的迹象,而在基尔特兰鹪鹩中观察到的近亲繁殖水平令人担忧。此外,我们还检测到高频率的潜在有害遗传变异。这突显了鸣禽的人口历史如何影响其遗传多样性。”

被采样的基尔特兰鹪鹩没有表现出任何身体畸形,但研究人员指出,近亲繁殖的影响可能在他们未评估的发育阶段出现,如迁徙期间或影响繁殖表现指标(如巢蛋数量或孵化率)。托伊斯强调,继续监测这些鸣禽的重要性,以更好地理解近亲繁殖对未来保护工作的影响。

“关于基尔特兰鹪鹩的一个关键问题是,它们的种群历史上是否一直较小,还是曾经繁盛然后剧降。”卡尔德隆指出。“我们可以利用ROH数据来调查过去,利用重组率——基因组可以共享信息的一种方式——来估算特定遗传组合首次出现的时间。我们的发现显示,这些鸟类短ROH中的大部分DNA片段追溯到1874年到1954年这个时期,主要是在已知的种群瓶颈发生之前。这表明基尔特兰鹪鹩可能一直具有有限的种群规模,这与它们对年轻斑松森林的特定依赖相符。”

通过将这些发现与自1940年代以来收集的物种分布和种群的历史数据进行比较,研究人员可以更深入了解塑造这些鸟类基因组的事件。例如,许多长ROH内DNA片段的起源集中在1940年至1981年之间,这与自1940年代初开始的明显种群下降相吻合。这一瓶颈将产生更大比例的长ROH。研究人员还计划分析博物馆标本的基因组,包括早在19世纪末收集的鸟类,以提供关于关键遗传事件的进一步背景。

“尽管基尔特兰鹪鹩被视为保护上的成功案例,但它们表现出显著的近亲繁殖,并拥有大量潜在有害的遗传变异,这可能影响它们的长期生存。”卡尔德隆总结道。“我们的研究表明,遗传健康评估可以揭示与单纯的种群数字不同的叙述,这两者在决定种群的恢复和指导保护策略时都必须加以评估。”

除了卡尔德隆、托伊斯和斯皮赫,研究团队还包括安德鲁·伍德,他在研究期间担任托伊斯实验室的研究技术员,目前是明尼苏达大学的博士后研究员。

这项研究得到了美国国家科学基金会环境生物学部、宾州州立大学哈克生命科学研究所和宾州州立大学埃伯利科学学院的资助支持。