全新世以來，尤其是工業(yè)革命以來，資源的過度開發(fā)利用和環(huán)境污染等人類活動，導致野生動物棲息地嚴重喪失和破碎化，形成了大量隔離小種群，致使物種瀕臨滅絕的邊緣。因此，揭示物種破碎隔離種群的歷史，闡明野生和圈養(yǎng)小種群的遺傳多樣性、進化潛力以及環(huán)境適應的遺傳基礎，提出物種的科學保護策略，具有重要的生態(tài)保護意義。
2024年8月26日，浙江大學方盛國教授課題組聯合華大生命科學研究院等單位，在美國科學院院刊《PNAS》發(fā)表了題為“Large-scale genome sequencing of giant pandas improves the understanding of population structure and future conservation initiatives”的研究論文，并入選“In This Issue”亮點文章。該研究基于大規(guī)模高深度全基因組測序數據，首次系統深入地對大熊貓進行了保護基因組學研究，揭示了破碎隔離種群的進化歷史，闡明了種群的遺傳結構、遺傳多樣性和遺傳負荷等遺傳與進化特征，并通過計算模擬，提出了物種科學保護的新策略。
圖1：本研究用到的大熊貓采樣信息
1、重建了現生大熊貓野生隔離種群的進化歷史
大熊貓具有2個亞種（秦嶺亞種和四川亞種），4個獨立的遺傳分支（秦嶺種群-QLI、岷山種群-MSH、涼山種群-LSH、邛崍-大相嶺-小相嶺種群-QX）。其中，亞種之間的分化發(fā)生在距今1.20-0.70萬年前。而在四川亞種內部，LSH與其它種群之間的隔離分化時間最早，發(fā)生在距今1.10-0.62萬年前；MSH與QX之間的隔離分化時間，發(fā)生在距今0.60-0.35萬年前，且在整個隔離分化過程中，伴隨著多次基因交流事件，特別是秦嶺個體遷入岷山種群，涼山個體遷入邛崍-大相嶺-小相嶺種群，從而使遺傳分支種群之間在不完全中斷基因交流的同時，又能在獨立的地理單元進行獨自的隔離進化，豐富物種的基因多樣性。
圖2：現存野生大熊貓的近期種群歷史
2、首次在岷山種群內部，發(fā)現了亞群的顯著遺傳分化
在距今0.30-0.20
年前，岷山種群內部出現了顯著的隔離分化，并形成了3個亞群（MSH1、MSH2和MSH3），推斷可能源于地理屏障和人為干擾：
（1）亞群之間被奪補河和涪江分隔。江河兩岸陡峭的山壁，使岷山種群內部形成了地理隔離亞群；
（2）亞群之間被人類聚居分隔。涪江自秦代以來一直是我國西南地區(qū)的主要水上通道，許多古鎮(zhèn)沿河建立并不斷發(fā)展。涪江及奪補河兩岸從古至今的人類活動，使岷山種群內部形成了地理隔離亞群。
總之，岷山獨立亞群的發(fā)現，為大熊貓未來保護單元的重新劃分，以及保護策略與計劃的制定，提供了科學依據。
圖3：野生大熊貓種群遺傳結構
3、大熊貓的遺傳多樣性、近交和遺傳負荷
通過對全基因組長純合片段、核苷酸多樣性的計算研究，發(fā)現大熊貓整體的近交和遺傳多樣性喪失問題并不嚴重，在野生動物領域處于中等水平，遠遠低于東北虎、華南虎等物種。但是，不同種群的近交程度卻存在差異，其中秦嶺種群的近交和有害遺傳突變的積累最為嚴重，涼山種群次之。同時，經對中國大熊貓保護研究中心和秦嶺大熊貓研究中心的7個主要繁育譜系的圈養(yǎng)大熊貓樣本進行分析研究后，發(fā)現圈養(yǎng)大熊貓的近交水平和遺傳負荷均低于野生大熊貓，表明科學的圈養(yǎng)譜系管理措施，可以有效地降低近交，保護圈養(yǎng)個體良好的遺傳進化潛力。
圖4：野生和圈養(yǎng)大熊貓種群近交水平FROH
4、大熊貓秦嶺種群和涼山種群亟需關注
（1）在整個全新世，秦嶺大熊貓經歷了持續(xù)性的種群衰退歷史，推測一方面可能是由于秦嶺地區(qū)不僅是中華文化的發(fā)祥地，而且近千年來，人口密集，戰(zhàn)爭頻繁，嚴重影響了大熊貓的棲息繁衍。另一方面，主食竹子北界南移，再加之持續(xù)近交，導致基因組不斷純合化，種群遺傳多樣性日漸降低，遺傳負荷逐漸增高，強有害突變造成幼崽早期夭折，弱有害突變純合化積累，導致種群環(huán)境適合度下降，從而導致持續(xù)性的種群衰退。因此，在秦嶺山系適宜大熊貓生存的棲息地顯著低于其它山系（第四次全國大熊貓野外種群普查）的情況下，亟需關注秦嶺大熊貓的保護工程。
（2）涼山大熊貓也是一個相對孤立的古老種群，有效種群數量較小，遺傳多樣性喪失、近交和遺傳負荷積累僅次于秦嶺種群。在上世紀50-90年代，涼山種群還經歷了一個快速減小的特殊時期。盡管近20年來，我國對涼山種群實施了有效的保護措施，但第三次和第四次全國大熊貓普查結果顯示，涼山種群的數量增長程度和棲息地人為干擾的減少程度都是最低的。目前涼山種群在地理上被隔離成了5個不相連的小種群，且2個最大的隔離種群離開發(fā)用地較近，另外2個小的隔離種群處于孤立狀態(tài)，很難與鄰近的大種群連通產生足夠的基因交流。因此，在目前涼山大熊貓棲息地尚未規(guī)劃到大熊貓國家公園建設中去之際，涼山大熊貓的保護工程也面臨諸多困境，未來種群的近交風險和滅絕的可能性，亟需受到特別關注。
綜上，對于野外大熊貓的保護，應充分認識到秦嶺大熊貓種群和涼山大熊貓種群受到生存威脅的程度，仍然是“瀕危級”，亟需學者、管理者、政府和國際組織的特別關注，萬萬不可將所有的大熊貓野生種群視為一個整體進行降級對待。
5、遺傳拯救策略
圈養(yǎng)大熊貓繁育后代的野化放歸，是大熊貓保護工程的遺傳拯救策略之一。然而，關于遺傳拯救工程中一個令人擔憂的問題，是放歸個體很可能會攜帶新的有害突變基因而加劇小種群繁育后代的遺傳負荷，尤其是長期分化的種群之間再次恢復基因流，很可能會因為遠交衰退而加速小種群的滅絕。
本研究經過模擬評估后認為，放歸本山系圈養(yǎng)繁育的后代個體，是小種群遺傳拯救的最優(yōu)先策略，因為它可以避免不同山系種群環(huán)境適應性帶來的風險，也能最大限度地降低后代個體的遺傳負荷。因此，對于秦嶺、涼山和岷山山系北部的小種群，野化放歸的個體，應該選擇各自山系的圈養(yǎng)繁育后代，或野外救助的大熊貓；對于大相嶺和小相嶺這2個山系，由于其與邛崍山系是同為一個遺傳大分支，所以可以從邛崍山系圈養(yǎng)大熊貓的繁育個體中，挑選遺傳背景相似的個體進行放歸。同時，在野化培訓之前，對放歸個體未來繁育后代的遺傳模擬預測，也將是放歸工程的部分工作要求。再則，放歸后對后代進行基因組和表型各項指標的監(jiān)測，可以為野化放歸提供最具價值的科學數據，并通過不斷修正和完善放歸計劃，構建大熊貓野化放歸的完整體系。
圖5：大熊貓種群的遺傳負荷與野化放歸模擬
總的來說，本研究通過對覆蓋現存野生大熊貓種群規(guī)模近30%的個體進行高質量全基因組重測序和群體基因組學研究，首次構建了迄今為止最精細的大熊貓遺傳變異圖譜、揭示了大熊貓六大山系野生種群的遺傳結構、發(fā)現了顯著遺傳分化的新亞群結構、模擬了人工圈養(yǎng)繁育子代放歸野外的遺傳風險，為主管部門制定野生大熊貓的保護策略與計劃，提供了極具參考價值的物種保護新策略。
浙江大學生命科學學院蘭天明博士、楊尚辰和張一博士研究生，以及深圳華大生命科學研究院李海盟博士，中國大熊貓保護研究中心李仁貴高級工程師為本文的共同第一作者。丹麥哥本哈根大學Karsten Kristiansen教授、浙江大學生命科學學院萬秋紅副教授、深圳華大生命科學研究院劉歡研究員、浙江大學生命科學學院方盛國教授為論文的共同通信作者。
