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本文深入分析了极危物种豪勋爵岛竹节虫（Panesthia lata）在澳洲豪勋爵群岛的种群遗传结构。研究发现，永久孤立的Ball's Pyramid种群高度分化，而曾周期性通过陆桥连接的几个岛屿种群则分化较晚，首次为更新世海平面下降促成该群岛物种历史连通性提供了证据。此外，研究在豪勋爵岛（LHI）意外发现了被误认为局部灭绝的残存种群，但其高近交系数（FIS）和低的遗传多样性揭示了种群瓶颈。研究结果支持遗传拯救策略的可行性，为保护受啮齿动物影响的类似物种提供了重要的遗传学依据。
1 引言
豪勋爵群岛是澳大利亚著名的群岛，也是联合国教科文组织世界遗产地。尽管对主岛豪勋爵岛的生物地理学和遗传多样性已有研究，但其众多卫星小岛上种群的演化独特性却鲜为人知。更新世海平面波动深刻影响了全球许多群岛的生物演化。在海平面较低的时期，许多现今孤立的岛屿合并成更大的“古岛屿”，允许陆生生物通过陆桥迁移和基因流动。因此，栖息在同一古岛屿碎片上的现代种群，其演化独特性通常低于被永久水域分隔的种群。然而，这种模式并非普遍，其程度取决于岛屿系统独特的地质生态条件及生物的扩散能力。
豪勋爵群岛的研究此前多集中于主岛本身，对于跨多个岛屿的物种遗传结构知之甚少。该群岛几乎所有岛屿在更新世都曾周期性通过陆桥连接，唯有Ball's Pyramid是长期孤立的。近年来，由于人类引入的家鼠和黑家鼠导致了至少20种特有物种灭绝，群岛范围内的遗传结构研究对保护工作变得尤为重要。2019年，豪勋爵岛成功实施了历史上最大的有人居住岛屿啮齿动物根除计划，而其他小岛则在整个过程中保持无鼠状态，成为许多物种的避难所，是保护性迁移的重要种群和基因库来源。
本研究选择极度濒危的豪勋爵岛竹节虫（Panesthia lata）作为模型。这是一种大型、不会飞的昆虫，是重要的分解者，分布在豪勋爵岛、Ball's Pyramid、Blackburn岛和Roach岛等多个岛屿。此前普遍认为该物种已在豪勋爵岛因鼠害而局部灭绝。本研究旨在：（1）探究P. lata在豪勋爵岛是否真的局部灭绝；（2）检验P. lata的遗传结构是否反映了古岛屿的历史连通性；（3）评估各个种群的遗传多样性和近交水平，为保护管理提供科学依据。
2 方法
2.1 样品采集与DNA提取
研究团队从P. lata已知分布范围采集了样本。当代样本来自Blackburn岛和Roach岛，还包含了这两个岛屿在2000年和2003年采集的博物馆标本。由于Ball's Pyramid难以到达，研究使用了1969年采集的两个标本。为了解鼠害入侵前的遗传多样性，研究还采集了1869年至1950年间在豪勋爵岛采集的历史样本。至关重要的是，在2022年7月，研究团队在豪勋爵岛的北湾意外发现了一个潜在的P. lata残存种群，并采集了10个样本。DNA提取针对当代标本和历史标本采用了不同的方法，最终共有69个个体用于SNP基因分型。
2.2 SNP基因分型与数据处理
SNP基因分型通过DArTseq简化基因组测序平台完成。原始数据经过一系列严格的过滤步骤，包括剔除重复性低、次要等位基因频率低、检出率低的位点，以及去除高比例数据缺失的个体。进一步过滤以获得用于特定分析的、非连锁的中性标记数据集，包括去除每个序列标签中连锁的SNP，并检查偏离哈迪-温伯格平衡的位点。最终，研究使用了三个数据集进行分析：质量控制数据集、中性数据集和未过滤HWE的数据集。
2.3 种群结构分析
使用主坐标分析、贝叶斯聚类分析（STRUCTURE）和计算成对FST值三种方法来评估基于SNP数据的种群结构。为确保结果不受近亲个体影响，还计算了个体间的成对亲缘系数，并在去除高度相关的个体后重新进行了分析。所有分析均使用中性SNP数据集（不包括Ball's Pyramid样本），同时也用未过滤HWE的数据集重复了聚类和FST估计。
2.4 遗传多样性评估
针对北湾、Blackburn岛和Roach岛的种群，评估了其遗传多样性。计算了观察杂合度和期望杂合度、等位基因丰富度、近交系数（FIS）以及种群内部和种群之间的平均成对亲缘系数。此外，还使用连锁不平衡法估计了有效种群大小（Ne）。
2.5 系统发育分析与演化时间标定
利用之前发表的完整线粒体基因组数据，结合外群物种，进行了最大似然法和贝叶斯法系统发育分析。由于缺乏合适的化石标定点，研究通过设定昆虫CO1基因在更新世期间最高和最低的已知替代率作为先验，来分别估计分化的最古老和最年轻时间。此外，还利用4个基因的部分序列构建了单倍型网络，并基于SNP数据进行了最大似然系统发育分析，以与线粒体结果进行比较。
3 结果
3.1 遗传结构
主坐标分析将遗传变异清晰地划分为四个簇，分别对应四个当代岛屿种群。Ball's Pyramid的样本与其他种群明显分开。在排除Ball's Pyramid样本后，对古岛屿种群的分析表明，遗传变异最优由K= 2-3个聚类解释。当K=2时，北湾和Blackburn岛的样本合并为一个簇；当K≥3时，三个岛的样本显示出清晰的遗传分化。成对FST值证实了这三个种群之间存在高度且显著的遗传分化，其中Roach岛与北湾之间的差异最大。去除近亲个体后的结果与使用全部样本的结果相似。
3.2 遗传多样性
所有种群内部的平均成对亲缘系数都很高，其中北湾最高，Roach岛最低。种群间的平均亲缘系数为负值，表明近期缺乏基因流。杂合度和等位基因丰富度在Roach岛样本中最高，在北湾样本中最低。近交系数（FIS）在所有种群中均显著大于0，表明显著偏离随机交配，其中Roach岛的FIS估计值最高。有效种群大小（Ne）在北湾最小，Roach岛次之，而Blackburn岛的Ne无法估计。
3.3 系统发育分析与演化时间标定
线粒体基因组的系统发育分析以高支持度将Ball's Pyramid种群置于其余谱系的姐妹群位置，但其与古岛屿种群内部的关系不一致。在最大似然树中，Roach岛的样本与Blackburn岛、北湾及历史豪勋爵岛样本的关系为并系群。而贝叶斯分析则推断Blackburn岛和Roach岛的样本关系更近。基于高、低两种CO1替代率估计的分化时间差异很大。使用较低替代率时，Ball's Pyramid种群的分化时间约为104万年，古岛屿谱系的冠年龄约为9.31万年。使用较高替代率时，这两个时间分别约为18.5万年和1.65万年。单倍型网络分析将Roach岛的样本与其他岛屿样本分开。基于核SNP的系统发育分析则将所有种群都解析为互为单系群，并且当以Ball's Pyramid为根时，Roach岛样本与Blackburn岛和北湾样本形成支持良好的姐妹群关系。
4 讨论
4.1 生物地理学与海平面
P. lata的遗传结构模式与更新世古岛屿的地理排列一致。Ball's Pyramid种群在所有分析中都表现出高度分化，反映了其与豪勋爵古岛屿的永久地理隔离，分化时间估计在18.5万年至104万年前，表明其经历了多个海平面变化周期的隔离。这为Ball's Pyramid动物区系的演化独特性提供了首个遗传学证据。
相比之下，其余种群之间较弱的差异表明其分化更晚，可能与海平面下降期间的陆桥形成有关。虽然不能完全排除人为传播的可能，但种群间的表型差异和分子定年结果支持自然分化。估计的古岛屿谱系分化起始时间在1.65万至9.31万年前，这个时间范围将这些谱系的遗传溯祖置于末次冰期，表明在更早时期，这些当代谱系曾通过陆桥连接成一个更大的随机交配种群。
具体分化机制尚不明确。一种简约的解释是，约1万年前的海平面上升隔离了现代种群。Roach岛样本在核SNP分析中与北湾和Blackburn岛样本相对较远，这与Roach岛海峡更深更宽的地貌相符，进一步支持了海平面淹没是驱动遗传结构的关键因素。然而，最大分子年龄估计则支持另一种情景，即分化在末次冰期结束前就已开始，遗传结构可能受到地形或生物景观等其它基因流动屏障的影响。无论如何，研究结果与之前认为小岛上存在长期隔离和原地物种形成的观点相反，表明更新世陆桥要么消除了P. lata先前存在的遗传分化，要么允许了其向多个小岛的殖民扩散。
4.2 遗传结构与残存种群
核SNP分析揭示了P. lata存在四个当代遗传簇，分别对应其分布范围内的四个岛屿。其中，北湾种群的遗传独特性证实了它是豪勋爵岛上原有多样性的残存，而非近期从其他小岛迁移而来，且其在一百多年的鼠害中幸存下来。线粒体基因组分析中，Roach岛、Blackburn岛和北湾的样本均未呈现单系性。这种核质信号的不一致可能源于基因渗入、线粒体变异的选择或不完全谱系分选。此外，历史样本的纳入也是导致线粒体非单系性的一个重要因素，这些样本可能包含了来自不同岛屿但未被准确记录的个体。
4.3 遗传多样性及保护意义
研究发现P. lata在豪勋爵岛幸存是一个重要的保护进展，但所有三个被测种群的遗传多样性和有效种群大小都较低，高亲缘系数、显著偏离随机交配以及低Ne表明它们可能都经历了某种程度的近交。其中，大部分遗传多样性指标在Roach岛最高，在北湾最低。这可能反映了栖息地的范围和质量差异。但Roach岛的FIS值最高，可能表明近期近交增加，或与样本量小有关。北湾种群极高的亲缘关系明确揭示了由鼠害活动导致的严重种群瓶颈。
在发现残存种群之前，曾有学者提议将P. lata重新引入豪勋爵岛。虽然现在重新引入已无必要，但该种群的脆弱性引发了进行“遗传拯救”的可能性，即从其他地方迁移个体以抵消遗传侵蚀。鉴于这几个岛屿种群分化时间较晚，遗传拯救可能是一种有效的策略。当然，在采取任何行动前，仍需要通过圈养杂交或比较基因组学研究来评估远交衰退的风险。
最后，研究证实了P. lata在Ball's Pyramid的存在。基于其显著的遗传分化，该种群有资格被认定为演化显著单元。这可以为其提供法律保护，并鼓励对其独特栖息地进行重点管理。生态学观察表明P. lata在该岛的存在有限，因此可能容易发生局部灭绝。总体而言，本研究发现豪勋爵群岛的自然和人为破碎化已显著影响了P. lata的遗传多样性，并为其未来的管理提供了途径。
5 结论
这项研究首次对豪勋爵群岛两个以上岛屿的物种进行了详细的、全物种范围的遗传分析。结果表明，豪勋爵群岛是另一个符合古岛屿生物地理学传统模型的群岛，P. lata内部的遗传结构反映了部分岛屿在末次间冰期曾合并成更大陆块的历史，使得现今隔离的陆地之间能够进行扩散。从保护的角度来看，Ball's Pyramid上高度演化独特的谱系再次表明，有必要保护该岛独特的栖息地和动物区系。此外，豪勋爵、Blackburn和Roach岛种群相对较浅的分化，以及这些种群潜在的近交现象，提供了证据表明在这些岛屿之间进行遗传拯救可能是保护P. lata的有效策略。虽然需要进一步的工作来确认这些发现是否可以推广，但研究结果表明，这些结果也可以为管理豪勋爵群岛上具有类似分布的其他物种提供参考。
