综合迁移和遗传漂变分析揭示华盛顿湖刺鱼骨板定向选择强度

《Evolution》：Inferring the strength of directional selection on armor plates in Lake Washington stickleback while accounting for migration and drift

本研究针对基因流存在下自然选择系数估计的难题，以华盛顿湖三刺鱼骨板表型为模型，整合全基因组测序与历史样本数据，构建了同时考虑迁移率和有效种群大小的种群遗传模型。研究发现Eda基因座持续受到定向选择（s=0.019-0.113），且选择压力在2016-2022年间显著增强，揭示了人工夜间光照（ALAN）等环境因子可能驱动当代进化。该研究为在复杂种群动态中量化选择压力提供了新范式。

　　

在自然界中观察到的快速进化现象为理解自然选择如何驱动表型和基因型变化提供了宝贵机会。随着分子遗传学的发展，科学家已能识别适应性性状背后的致病基因，进而估计这些基因座的选择系数。然而，当种群受到来自基因型和表型显著不同种群的迁移个体影响时，选择系数的估计变得复杂。基因流可能引入适应性等位基因导致选择系数高估，而有害等位基因的渗入则可能导致低估。因此，在测量接受迁移个体的种群中的选择时，纳入迁移率、有效种群大小等人口参数至关重要。新一代测序技术的进步使得利用海量核苷酸变异信息推断这些人口参数成为可能，为构建考虑迁移和遗传漂变的种群遗传模型奠定了基础。

华盛顿湖（美国）三刺鱼骨板数量的当代进化是研究迁移和漂变背景下选择强度的理想案例。该湖面积8.76 x 10⁷m²，最大深度65.2米。1957年至2005年间，完全骨板形态的频率显著增加，这很可能与1970年代初湖水透明度急剧增加有关。透明度提高增强了割喉鳟（Oncorhynchus clarkii）等视觉捕食者的捕食压力，而骨板能通过防止皮肤刺破和损伤来提高刺鱼被捕食后的存活率。骨板表型主要由Ectodysplasin-A（Eda）基因座的两个主要等位基因决定：增加骨板数的完全等位基因（complete allele）和减少骨板数的低等位基因（low allele）。自2005年以来，湖水透明度一直保持高位且无显著年度变化，研究人员假设定向选择继续有利于完全骨板刺鱼及其背后的Eda完全等位基因。然而，人工夜间光照（ALAN）作为城市地区新的进化驱动因子，可能增强了视觉捕食者的捕食压力。另一方面，在其他湖泊中观察到Eda基因存在负频率依赖性选择，因此有利于完全骨板形态的选择压力可能已经减弱。为了检验华盛顿湖选择强度和/或方向是否发生变化，研究人员于2022年采集了刺鱼样本，并结合2016年样本的形态数据，分析骨板是否自2005年以来持续增加。

为定量测量Eda基因座的选择强度，研究人员首先利用全基因组序列数据推断了湖种群的有效种群大小以及来自附近海洋和溪流种群的迁移率。结合过去的等位基因频率数据，估计了Eda基因座的选择系数，预测了2022年的预期等位基因频率，并与观测数据进行比较。

本研究采用的关键技术方法主要包括：对华盛顿湖三刺鱼历史样本（1957、1967/1968、1976、2005、2016）及2022年新采集样本进行骨板形态分析（Alizarin red染色）和标准长度测量；通过微卫星标记Stn382进行Eda基因分型；利用ddRAD-seq（双酶切限制性位点关联DNA测序）对2022年样本进行全基因组关联分析（GWAS）以验证Eda基因的主导作用；基于全基因组测序（WGS）数据，通过等位基因频谱（AFS）分析和fastsimcoal2软件推断有效种群大小（N_e）和迁移率等人口参数；结合推断的人口参数和历史等位基因频率数据，使用SLiM 3.3软件进行前向模拟和近似贝叶斯计算（ABC），估计Eda等位基因的选择系数（s）和显性度（h）；利用VIIRS/DNB卫星遥感数据分析2016-2022年间华盛顿湖区域人工夜间光照（ALAN）的时空变化趋势。

Increasing frequency of the completely plated morph

形态分析结果显示，低骨板、部分骨板和完全骨板三种形态在2022年样本中仍然存在。骨板数量从2005年到2016年显著增加（Mann-Whitney U检验，W=46022， P=0.01814），从2016年到2022年呈增加趋势（W=57316， P=0.06228）。完全骨板形态的频率从200年（48.9%）增加到2016年（55.0%），并进一步增加到2022年（66.5%）（卡方检验，2005 vs. 2016: χ2=10.004， df=2， P=0.006727； 2016 vs. 2022: χ2=8.6124， df=2， P=0.01348）。相应地，完全Eda等位基因的频率也从2005年到2016年（χ2=5.0848， df=1， P=0.02414）以及从2016年到2022年（χ2=5.6404， df=1， P=0.01755）显著增加，证实了基因型随时间的变化，支持骨板数量仍在增加的定性预测。2022年5月采集的雌性刺鱼平均标准长度为66.94 mm（SD=4.87， N=222），显著大于2005年5-6月样本（62.54±4.46 mm； P<10^-7）和2016年3月样本（63.29±3.29 mm； P<10^-15）。但骨板形态和Eda基因型与标准长度无显著关联，表明骨板形态和标准长度在遗传上是独立的。

Directional selection is driving plate evolution

全基因组关联分析（GWAS）仅在4号染色体Eda附近发现一个单一峰值，表型变异解释率（PVE）达75.6%，表明近期没有演化出修饰基因。比较2016年和2022年样本中Eda基因座5个标记位点（跨度约11 kb）的连锁不平衡（LD），除两对位点外（Cnv770 vs Stn381， P<0.001； Stn381 vs Stn382， P=0.032），其余无显著变化。Eda杂合子个体在2005、2016和2022年样本间的骨板数量无显著差异，表明显性度未发生近期改变。这些数据支持骨板表型主要由Eda基因座决定的假设是合理的。人口参数推断显示，最佳模型是溪流种群先从海洋种群分化，随后湖种群从海洋种群分化。海洋与溪流种群的分化时间约为30万年前，而湖种群的殖民发生在末次盛冰期（LGM）之后约1.7万年前。当前湖种群的有效种群大小（N_e）估计为9087.5（95%置信区间[95CI]：6273.0-25250.5），约为1972/1973年普查规模（167万）的百分之一。从海洋到湖的迁移率（转换为前瞻时间）估计为2.05 x 10^-3（95CI：1.24 x 10^-6-2.47 x 10^-3），从溪流到湖的迁移率估计为1.34 x 10^-4（95CI：1.05 x 10^-4-1.58 x 10^-4）。

Increasing selective pressures from 2016 to 2022

基于1976年至2016年数据，推断出最佳选择系数和显性度组合为s=0.019（SD=0.007）和h=0.585（SD=0.304），估计的s范围显著高于0，表明定向选择作用于完全Eda等位基因。若不考虑迁移率，估计的s（0.023±0.007）略大，表明忽略迁移会略微高估选择系数。若仅使用2005年至2016年的近期数据，在固定h=0、0.5和1时，推断的s值分别为0.059、0.079和0.113，同样表明定向选择的存在。利用估计的人口参数和选择系数预测2022年完全Eda等位基因频率，发现观测频率（0.772）显著高于基于1976-2016年s和h组合的预测值（0.697±0.008），也高于基于2005-2016年数据任何s和h组合的预测值，表明2016年至2022年间选择压力可能进一步增强。尽管湖水透明度近几十年未发生可测量的变化，但人工夜间光照（ALAN）自2016年以来在华盛顿湖的几个中上层区域（春季-夏季期间）呈现显著增加趋势。

本研究证实华盛顿湖刺鱼中完全骨板形态和完全Eda等位基因仍在增加，且选择系数显著不为零，表明定向选择驱动了这一当代进化。考虑基因流与否会导致选择系数估计的细微差异，在本案例中差异较小，但当迁移率较高时，考虑迁移的模型是必要的。2022年观测到的等位基因频率高于基于2016年前数据预测值，表明2016至2022年间选择压力进一步增强。选择强度在1969-1976年湖水透明度大幅增加期间最高，之后至2016年有所下降，近年又出现上升，这与当代进化中选择强度变化和强选择脉冲现象一致。可能导致近期捕食压力增加的环境因素包括：人工夜间光照（ALAN）增加可能延长了每日捕食风险期并增加了对视觉捕食者的脆弱深度；割喉鳟的丰度可能长期增加；鸬鹚等捕食性鸟类种群增长；水温升高可能促进新捕食者（如岩鲈、黄鲈）入侵；盐度或钙浓度变化（但现有数据未显示近期有显著增加）。研究也存在一些局限性，如非年度连续观测数据限制了频率依赖性选择模型的构建、假设选择系数在各时间段内恒定、未考虑湖内空间变异、1969和1976年Eda等位基因频率由表型数据推断存在不确定性。

综上所述，该研究证明了即使在考虑基因流的情况下，华盛顿湖的当代进化也是由定向选择驱动的。选择压力随时间发生显著变化，且选择强度近期似乎有所增加。进一步整合适应性的遗传基础、人口统计推断、长期观测和自然种群选择系数估计的研究，将有助于更好地理解自然选择在自然界中的作用方式。该成果发表于《Evolution》期刊，为在复杂生态和进化动态中精确量化自然选择提供了重要方法论和实证案例。