全新世以來(lái)，尤其是工業(yè)革命以來(lái)，資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用和環(huán)境污染等人類(lèi)活動(dòng)，導(dǎo)致野生動(dòng)物棲息地嚴(yán)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(jìn)化潛力以及環(huán)境適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)，提出物種的科學(xué)保護(hù)策略，具有重要的生態(tài)保護(hù)意義。
2024年8月26日，浙江大學(xué)方盛國(guó)教授課題組聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院等單位，在美國(guó)科學(xué)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(diǎn)文章。該研究基于大規(guī)模高深度全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，首次系統(tǒng)深入地對(duì)大熊貓進(jìn)行了保護(hù)基因組學(xué)研究，揭示了破碎隔離種群的進(jìn)化歷史，闡明了種群的遺傳結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性和遺傳負(fù)荷等遺傳與進(jìn)化特征，并通過(guò)計(jì)算模擬，提出了物種科學(xué)保護(hù)的新策略。
圖1：本研究用到的大熊貓采樣信息
1、重建了現(xiàn)生大熊貓野生隔離種群的進(jìn)化歷史
大熊貓具有2個(gè)亞種（秦嶺亞種和四川亞種），4個(gè)獨(dú)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(wàn)年前。而在四川亞種內(nèi)部，LSH與其它種群之間的隔離分化時(shí)間最早，發(fā)生在距今1.10-0.62萬(wàn)年前；MSH與QX之間的隔離分化時(shí)間，發(fā)生在距今0.60-0.35萬(wàn)年前，且在整個(gè)隔離分化過(guò)程中，伴隨著多次基因交流事件，特別是秦嶺個(gè)體遷入岷山種群，涼山個(gè)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(shí)，又能在獨(dú)立的地理單元進(jìn)行獨(dú)自的隔離進(jìn)化，豐富物種的基因多樣性。
圖2：現(xiàn)存野生大熊貓的近期種群歷史
2、首次在岷山種群內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)了亞群的顯著遺傳分化
在距今0.30-0.20
年前，岷山種群內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的隔離分化，并形成了3個(gè)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(bǔ)河和涪江分隔。江河兩岸陡峭的山壁，使岷山種群內(nèi)部形成了地理隔離亞群；
（2）亞群之間被人類(lèi)聚居分隔。涪江自秦代以來(lái)一直是我國(guó)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(bǔ)河兩岸從古至今的人類(lèi)活動(dòng)，使岷山種群內(nèi)部形成了地理隔離亞群。
總之，岷山獨(dú)立亞群的發(fā)現(xiàn)，為大熊貓未來(lái)保護(hù)單元的重新劃分，以及保護(hù)策略與計(jì)劃的制定，提供了科學(xué)依據(jù)。
圖3：野生大熊貓種群遺傳結(jié)構(gòu)
3、大熊貓的遺傳多樣性、近交和遺傳負(fù)荷
通過(guò)對(duì)全基因組長(zhǎng)純合片段、核苷酸多樣性的計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)大熊貓整體的近交和遺傳多樣性喪失問(wèn)題并不嚴(yán)重，在野生動(dòng)物領(lǐng)域處于中等水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)重，涼山種群次之。同時(shí)，經(jīng)對(duì)中國(guó)大熊貓保護(hù)研究中心和秦嶺大熊貓研究中心的7個(gè)主要繁育譜系的圈養(yǎng)大熊貓樣本進(jìn)行分析研究后，發(fā)現(xiàn)圈養(yǎng)大熊貓的近交水平和遺傳負(fù)荷均低于野生大熊貓，表明科學(xué)的圈養(yǎng)譜系管理措施，可以有效地降低近交，保護(hù)圈養(yǎng)個(gè)體良好的遺傳進(jìn)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(guān)注
（1）在整個(gè)全新世，秦嶺大熊貓經(jīng)歷了持續(xù)性的種群衰退歷史，推測(cè)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(lái)，人口密集，戰(zhàn)爭(zhēng)頻繁，嚴(yán)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(dǎo)致基因組不斷純合化，種群遺傳多樣性日漸降低，遺傳負(fù)荷逐漸增高，強(qiáng)有害突變?cè)斐捎揍淘缙谪舱?，弱有害突變純合化積累，導(dǎo)致種群環(huán)境適合度下降，從而導(dǎo)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(guó)大熊貓野外種群普查）的情況下，亟需關(guān)注秦嶺大熊貓的保護(hù)工程。
（2）涼山大熊貓也是一個(gè)相對(duì)孤立的古老種群，有效種群數(shù)量較小，遺傳多樣性喪失、近交和遺傳負(fù)荷積累僅次于秦嶺種群。在上世紀(jì)50-90年代，涼山種群還經(jīng)歷了一個(gè)快速減小的特殊時(shí)期。盡管近20年來(lái)，我國(guó)對(duì)涼山種群實(shí)施了有效的保護(hù)措施，但第三次和第四次全國(guó)大熊貓普查結(jié)果顯示，涼山種群的數(shù)量增長(zhǎng)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(gè)不相連的小種群，且2個(gè)最大的隔離種群離開(kāi)發(fā)用地較近，另外2個(gè)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(chǎn)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(guó)家公園建設(shè)中去之際，涼山大熊貓的保護(hù)工程也面臨諸多困境，未來(lái)種群的近交風(fēng)險(xiǎn)和滅絕的可能性，亟需受到特別關(guān)注。
綜上，對(duì)于野外大熊貓的保護(hù)，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)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(jí)”，亟需學(xué)者、管理者、政府和國(guó)際組織的特別關(guān)注，萬(wàn)萬(wàn)不可將所有的大熊貓野生種群視為一個(gè)整體進(jìn)行降級(jí)對(duì)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(hù)工程的遺傳拯救策略之一。然而，關(guān)于遺傳拯救工程中一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，是放歸個(gè)體很可能會(huì)攜帶新的有害突變基因而加劇小種群繁育后代的遺傳負(fù)荷，尤其是長(zhǎng)期分化的種群之間再次恢復(fù)基因流，很可能會(huì)因?yàn)檫h(yuǎn)交衰退而加速小種群的滅絕。
本研究經(jīng)過(guò)模擬評(píng)估后認(rèn)為，放歸本山系圈養(yǎng)繁育的后代個(gè)體，是小種群遺傳拯救的最優(yōu)先策略，因?yàn)樗梢员苊獠煌较捣N群環(huán)境適應(yīng)性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，也能最大限度地降低后代個(gè)體的遺傳負(fù)荷。因此，對(duì)于秦嶺、涼山和岷山山系北部的小種群，野化放歸的個(gè)體，應(yīng)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(duì)于大相嶺和小相嶺這2個(gè)山系，由于其與邛崍山系是同為一個(gè)遺傳大分支，所以可以從邛崍山系圈養(yǎng)大熊貓的繁育個(gè)體中，挑選遺傳背景相似的個(gè)體進(jìn)行放歸。同時(shí)，在野化培訓(xùn)之前，對(duì)放歸個(gè)體未來(lái)繁育后代的遺傳模擬預(yù)測(cè)，也將是放歸工程的部分工作要求。再則，放歸后對(duì)后代進(jìn)行基因組和表型各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，可以為野化放歸提供最具價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，并通過(guò)不斷修正和完善放歸計(jì)劃，構(gòu)建大熊貓野化放歸的完整體系。
圖5：大熊貓種群的遺傳負(fù)荷與野化放歸模擬
總的來(lái)說(shuō)，本研究通過(guò)對(duì)覆蓋現(xiàn)存野生大熊貓種群規(guī)模近30%的個(gè)體進(jìn)行高質(zhì)量全基因組重測(cè)序和群體基因組學(xué)研究，首次構(gòu)建了迄今為止最精細(xì)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(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)了顯著遺傳分化的新亞群結(jié)構(gòu)、模擬了人工圈養(yǎng)繁育子代放歸野外的遺傳風(fēng)險(xiǎn)，為主管部門(mén)制定野生大熊貓的保護(hù)策略與計(jì)劃，提供了極具參考價(jià)值的物種保護(hù)新策略。
浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(xué)研究院李海盟博士，中國(guó)大熊貓保護(hù)研究中心李仁貴高級(jí)工程師為本文的共同第一作者。丹麥哥本哈根大學(xué)Karsten Kristiansen教授、浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院萬(wàn)秋紅副教授、深圳華大生命科學(xué)研究院劉歡研究員、浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院方盛國(guó)教授為論文的共同通信作者。
