日本亚洲黑熊迁入后有效种群规模下降的基因组学研究

《Ecological Research》：Decrease in Effective Population Size After the Immigration of Asian Black Bears to Japan

本文通过双酶切限制性位点关联DNA测序（ddRADseq）技术，首次对日本亚洲黑熊（Ursus thibetanus）开展大规模种群基因组学研究，揭示其7个地理种群的分化格局、三次历史种群衰退事件（分别对应大陆迁入、末次盛冰期栖息地破碎化及人类活动影响），并发现核基因组数据存在跨线粒体DNA谱系的雄性偏向基因流现象，为濒危物种保护策略制定提供了关键进化生物学依据。

　　

3.1 测序产出与SNP概况

通过双酶切限制性位点关联DNA测序（ddRADseq）技术对85个日本亚洲黑熊肌肉组织样本进行基因组测序，经过严格质控后保留83个个体数据。最终获得5684个常染色体SNP位点用于后续分析，平均每个样本获得约806万条双端测序读数。

3.2 遗传结构解析

基于STRUCTURE的贝叶斯聚类分析显示最优遗传簇数量为7（K=7），对应Kitakami山脉（KIT）、Ouu山脉（OUU）、南阿尔卑斯（SAL）、北陆（HOK）、东西近畿（ENK）、纪伊半岛（KII）和西中国（WCH）七个地理种群。主坐标分析（PCoA）进一步证实边缘种群（KIT、OUU、WCH）与中央种群间的明显分化。种群间遗传分化指数（F_ST）显示最低值出现在HOK与SAL之间（0.047），最高值出现在地理距离最远的KIT与WCH之间（0.316）。个体杂合度分析表明中央种群（如SAL杂合度达0.319）显著高于边缘隔离种群（KIT最低为0.184），呈现"中心-边缘"遗传多样性梯度模式。

3.3 有效种群规模动态演化

通过Stairway Plot v2.1估算的历史有效种群规模（Ne）变化显示所有种群均经历三次显著衰退：首次衰退始于80-30万年前，可能对应黑熊从大陆迁入日本事件；第二次衰退发生在15-7万年前，与末次冰期栖息地收缩相关；第三次衰退出现于5-1.8万年前，可能与人类扩张活动有关。值得注意的是，除KII种群外，其余种群在第三次衰退后均未出现恢复迹象，特别是样本量较大的KIT、OUU和WCH种群显示Ne持续下降至2000-3000年前。

4.1 日本黑熊种群历史重建

与全基因组测序（WGS）研究相比，本研究虽未检测到种群扩张信号，但成功捕获到三次关键衰退事件。首次衰退时间与大陆种群40万年前的扩张期后移入日本岛屿的假设相符；第二次衰退与末次冰期针叶林替代阔叶林导致的栖息地丧失相关；第三次衰退与人类抵达日本群岛（约3.8万年前）及后续人口增长时段重叠。尽管受SNP数量限制，Ne估算精度有限，但多个种群呈现的一致性趋势支持这些历史事件的真实性。

4.2 种群结构与基因流模式

核基因组与线粒体DNA（mtDNA）分析结果的差异揭示了性别偏向扩散现象。虽然mtDNA显示三大谱系（以琵琶湖为界）间存在强烈母系遗传分化，但核基因组数据表明HOK种群与相邻的SAL、ENK、KII种群间存在显著基因流（F_ST均<0.15）。这种跨mtDNA谱系的基因流很可能由雄性个体长距离扩散（平均17.4±3.5km）所维持，与野外观察到的雄性偏向扩散行为一致。景观遗传学分析进一步证实，农业区和居民点对基因流产生25倍阻力，导致隔离种群（如KIT、WCH）出现杂合度降低和遗传分化加剧。

4.3 保护遗传学启示

本研究首次基于基因组尺度揭示日本黑熊种群历史动态，为濒危物种保护提供关键科学依据。中央连续分布区（如SAL）作为遗传多样性热点区域，应优先划定生态走廊；边缘隔离种群（如KIT、WCH）需采取针对性救助措施。未来研究应纳入四国岛等濒危种群，并结合WGS技术提升历史动态重建精度，为制定长期保护策略提供支撑。