2022-07-11
《Genes》
影响因子：4.141
派森诺生物与中国地质大学（武汉）环境学院合作，在微生物基因组领域的《Genes》发表新研究成果！
本研究对中国东北地区的四只狍遗骸进行了线粒体基因组测序，以探索古代狍与现存种群的遗传联系，为研究狍的进化历史和种群动态提供了新的视角。
研究背景
早更新世以来，中国就有狍。狍是偶蹄有蹄类动物中唯一的胚胎滞育物种。根据化石记录，它们首次出现在大约330-240万年前（Ma）的俄罗斯东部乌冬加，而分子数据表明其起源于大约4-2万年前（Ma）。狍包含两个现存物种：欧洲狍（C.Capreolus），栖息于欧洲大部分地区；西伯利亚狍（C.pygargus），分布于亚洲古北界和东欧部分地区。在分子意义上，西伯利亚狍的研究不如欧洲狍，其种内分类学仍有争议。迄今为止，根据细胞遗传学特征和形态学，已确定了西伯利亚狍的六个亚种：C. p. pygargus、C. p. tianschanicus、C. p. ochracea、C. p. bedfordi、 C. p. mantschuricus和C. p. melanotis，后三个亚种存在一定争议。
尽管有大量的中国狍化石可用于详细的形态学分析，但对于该物种的化石个体，例如其分类地位以及与当代狍的关系知之甚少。到目前为止，所有关于中国狍的分子研究都集中在现代标本上，目前还没有使用古DNA对中国狍进行遗传学研究。本研究从中国东北采集的狍化石标本中组装出四个古老的线粒体基因组。从时间和地理角度研究了狍遗传谱系之间的关系和分歧事件，还重建了该物种的种群动态。这项研究中提出的新发现为深入了解西伯利亚狍的进化历史提供了进一步的见解。
研究材料与方法
实验材料
在中国东北黑龙江省绥化市青冈县采集了四个狍子的亚化石标本：CADG573、CADG580、CADG626和 CADG842。根据AMS14C年代测定，校准后的中位年龄分别距当代9478、11270、6816和9065年。
测序平台
Illumina HiSeq
分析内容
化石标本线粒体测序组装、进化树分析、种群动态分析等。
研究结果
代表性样本的地理分布
本研究使用的两种狍：欧洲狍和西伯利亚狍，其中图中红色三角形表示的为本研究中的四个狍采样点。其他的狍由四种不同颜色的点表示，数据来自已发表的文章。本文有四个数据集分别用于不同分析：
数据集1包括了已发表的22个线粒体基因组，其中11只为西伯利亚狍、9只欧洲狍、1只中国牙獐、1只远东驼鹿，另加本研究中新获得的4个古线粒体基因组。该数据集保留了最完整的序列，用于狍种群的系统发育和分子测年分析。
数据集2包括了来自具有详细地理信息的146个样本的cytb基因和D环序列，其中141只为现代西伯利亚狍（涵盖韩国、蒙古、哈萨克斯坦、西伯利亚和波兰），本研究中新获得的四只中国狍化石样本，以及一只欧洲狍作为外类群。该数据集在西伯利亚狍的大部分地理范围内菌采集了大量个体，用于研究西伯利亚狍的系统地理结果。
数据集3包括了11只现代西伯利亚狍完整线粒体基因组和本研究的四个古化石样本，用于重建西伯利亚狍的母系种群历史。
数据集4包括了现代9个现代欧洲狍的完整线粒体基因组，用于重建欧洲狍的母系种群历史。
图1 两种狍（C.capreolus和C.pygargus）的地理分布范围
东北狍的系统发育分析
先前的分子鉴定表明，现存的中国东北狍为西伯利亚狍，但是否为亚种任存在争议。本研究基于数据集1构建系统发育树，表明狍主要分为两大类即欧洲狍和西伯利亚狍，而西伯利亚狍又进一步分为三个不同的亚类，亚类P3占据稍早的发散位置，而亚类P1和P2彼此是姊妹。有趣的是，本研究的四个古代样本属于西伯利亚狍的两个不同亚类，CADG573和626位于P2亚类，而580和842位于P3亚类。分歧时间树表明：西伯利亚狍和欧洲狍在2.25 Ma分开，这与之前的分子结果一致。而西伯利亚狍P1、P2和P3亚类分别在0.10 Ma、0.17 Ma和0.30 Ma分开。
图2 基于26只完整的线粒体基因组构建分歧进化树
东北狍的系统地理学分析（狍的分歧进化分析）
基于数据集2，绘制了单倍型群的地理分布图。单倍型B和C在地理上广泛分布，横跨贝加尔湖两侧，而单倍型A和D仅在贝加尔湖东部发现。贝加尔湖两岸的种群由具有不同单倍型群组成。具体来说，除了孤立群体SKJ外，西方群体中的大多数个体属于单倍型群B，而所有单倍型群都存在于东方群体中。济州岛只检测到一个单倍型群（单倍型群B），这可能是由于地理隔离导致种群之间的基因流动在短时间内减少，或者是由于创始人效应和遗传漂变等过程。本文四个古样本分别属于单倍体D、单倍体C、单倍体A和单倍体C。
本分析将西伯利亚狍分为四个单倍型群（A、B、C和D），与上文基于完整线粒体基因组分析只有三个亚类（P1、P2和P3）不一致。但比较两个系统发育树，发现重叠样本的系统发育位置是一致的，且单倍体B对应亚类P1，单倍体A和D对应子P2，单倍体C对应P3。虽然考虑到完整的线粒体基因组太少可能导致分支细节不完整，并且D-loop的快速进化率使其更有效地区分具有密切亲缘关系的个体，但数据集1和2的前两个结果不矛盾。
图3 具有精确地理位置的西伯利亚狍标本的系统地理分布和贝叶斯系统发育树
狍的母系进化史分析
分别基于15个西伯利亚狍（11只现代种和本研究的四个古样本）和9只现代欧洲狍的完整线粒体基因组，重建两种狍的母系种群历史。贝叶斯天际线图（BSP）揭示了西伯利亚和欧洲狍母系Ne规模随时间的变化。欧洲狍的Ne规模在约10 Kya至5 Kya期间发生重大扩张，随后至今种群规模相对稳定。而西伯利亚狍的种群在约325 Kya至225 Kya期间增加，在约50 Kya至18Kya期间短暂减少一半，随后一直保持不变。两者的不一致可能是种群扩张和种群细分的结果。此外，全球气候变化和人类活动可能在西伯利亚狍种群规模缩小中发挥了关键作用。确定的瓶颈期（从约50 Kya到约18 Kya）与从气候不稳定的MIS3过渡到约29 Kya的更稳定的MIS2冷期时期相吻合。与温带其他物种类似，西伯利亚狍群体在间冰期扩张，在冰期收缩成隐蔽和孤立的避难所。大量考古发现表明，这一时期欧亚大陆人类活动频繁；因此，人类活动可能对西伯利亚狍的种群规模产生了负面影响。
图4 根据线粒体基因组重建的西伯利亚和欧洲狍的母系有效群体大小分析
研究结论
1.本研究提供了实时分子记录，用于追踪狍种群内的分化和种群历史。
2.古代狍与现代狍具有密切的遗传背景，这意味着该物种自晚更新世以来即使种群规模经历了多种动态，但依然保持稳定的线粒体分支。
3.揭示了气候变化与狍进化事件之间的联系。确定的瓶颈期与气候从不稳定阶段向更稳定的寒冷期过渡相吻合，这表明寒冷期可能导致狍种群数量的大幅度减少。
本研究的测序由上海派森诺生物科技有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：microsupport@personalbio.cn，联系电话：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.
