镶嵌式三谱系二次接触塑造镖鲈杂交区的多样化基因组格局

《Evolution》：Mosaic tri-lineage secondary contact shapes diverse genomic outcomes in darters

本研究针对淡水鱼类镖鲈属(Etheostoma)的约翰尼镖鲈(E. nigrum)与棋盘镖鲈(E. olmstedi)杂交带，通过低覆盖全基因组测序(lcWGS)和双酶切限制性位点关联DNA测序(ddRADseq)技术，揭示了由三个进化谱系构成的镶嵌式杂交区动态。研究发现杂交事件集中分布于支流与干流交汇处，种群间保持高基因组分化(FST=0.52)，线粒体基因渗入范围显著大于核基因渗入。该研究为理解栖息地分配机制维持物种边界提供了典型案例，并比较了两种基因组学方法在杂交带研究中的适用性。

　　

在北美淡水生态系统中，冰川消退导致的河流水系重组为近缘鱼类物种提供了二次接触的天然实验室。镖鲈属(Etheostoma)鱼类作为淡水生态系统的指示物种，其约翰尼镖鲈(Etheostoma nigrum)与棋盘镖鲈(E. olmstedi)在经历300-500万年的分化后，于纽约西部基因西河系统形成杂交带。早期形态学研究曾发现这两个物种在重叠分布区存在杂交现象，但关于其杂交动态、基因组后果及维持物种边界的机制仍不明确。更特别的是，近期谱系地理学研究揭示该杂交带实际上涉及棋盘镖鲈和两个深度分化的约翰尼镖鲈谱系（俄亥俄河盆地谱系和伊利湖盆地谱系），形成了罕见的三谱系杂交体系。

为解析这一复杂杂交区的基因组格局，研究人员整合了低覆盖全基因组测序(lcWGS)、双酶切限制性位点关联DNA测序(ddRADseq)和线粒体细胞色素b基因数据集。通过对295个样本进行基因组DNA提取，利用Tn5转座酶构建文库进行Illumina NovaSeq双端150bp测序，获得平均1.9x覆盖度的lcWGS数据。比对至Etheostoma perlongum参考基因组后，使用ANGSD进行基因型似然估计，采用100kb窗口滑动计算种群分化指数F_ST。同时对比已发表的ddRAD数据集（平均覆盖度22x），通过PCAngsd进行主成分分析和祖先成分推断，系统评估两种测序方法在种群结构解析中的一致性。

种群结构揭示三谱系杂交模式

主成分分析显示样本明显聚为三类，分别对应棋盘镖鲈、约翰尼镖鲈的俄亥俄河盆地谱系和伊利湖盆地谱系。在基因西河流域的支流系统中观察到明显的空间异质性：本内茨溪(Bennetts Creek)下游为纯棋盘镖鲈，上游为纯约翰尼镖鲈；而科内苏斯溪(Conesus Creek)所有个体均呈现稳定的混合祖先比例（80%棋盘镖鲈 ancestry，20%约翰尼镖鲈 ancestry）。奥卡溪(Oatka Creek)和霍诺耶溪(Honeoye Creek)则呈现典型的镶嵌式杂交格局，杂交个体集中分布于支流与干流交汇处1.5公里范围内。

测序方法比较显示一致性种群结构推断

lcWGS与ddRADseq在祖先成分估计上高度相关（R²=1，p<2.2e-16），但个体缺失基因型比例与两种方法估计差异呈正相关（R²=0.36，p=0.00041）。尽管种群结构推断一致，两种方法在分化程度估计上存在显著差异：ddRADseq的F_ST估计值普遍高于lcWGS（ΔF_ST≈0.2），且lcWGS能检测到更精细的染色体水平分化模式。这种差异源于限制性位点非均匀分布导致的数据结构差异，lcWGS的连续基因组覆盖为识别潜在局部适应区域提供了更优分辨率。

线粒体渗入揭示历史基因流轨迹

线粒体单倍型分析显示，基因渗入范围远超过核基因渗入。在上游基因西河流域等无核基因渗入信号的种群中检测到异种线粒体单倍型，约翰逊溪(Johnson Creek)个体甚至携带三个谱系的线粒体单倍型。值得注意的是，托纳旺达溪(Tonawanda Creek)种群虽无核基因渗入证据，却出现种内线粒体渗入，可能是冰川消退后短暂水系连接导致的历史基因流遗迹。

栖息地分配维持物种边界

基因组证据支持棋盘镖鲈主要占据大型干流、约翰尼镖鲈偏好小型支流的生态位分配假说。杂交热点稳定出现于水文生态过渡区，表明栖息地差异形成的交配前隔离机制有效阻止了杂交群的全面扩散。种间高基因组分化（F_ST=0.52）和支流间遗传分化（lcWGS F_ST=0.07-0.12）说明尽管存在基因流，各支流种群仍保持独立的进化轨迹。

本研究通过多组学方法揭示了三谱系杂交带的动态平衡机制：水文地貌塑造的镶嵌式接触模式、栖息地分配产生的交配前隔离、以及潜在杂交劣势构成的合子后隔离共同维持了物种边界。该研究不仅为理解淡水鱼类杂交带进化提供了新视角，还确立了lcWGS在非模型物种种群基因组研究中的技术优势，为后续研究杂交带中局部适应基因组区域奠定了基础。