揭开欧洲棕熊种群动态与多样性的神秘面纱 —— 基于非侵入性 SNP 基因分型的研究

为研究欧洲棕熊种群动态和多样性，研究人员用非侵入性 SNP 基因分型技术，发现两种群存在差异，该成果利于保护。

　　

一、研究背景

棕熊，作为欧洲山林中的大型猛兽，一直以来都吸引着人们的目光。然而，这些棕熊种群的生存状况却面临着诸多挑战。欧洲棕熊分布在不同区域，形成了多个种群，其中比利牛斯山脉（Pyrenees Mountains）和坎塔布连山脉（Cantabrian Mountains）的棕熊种群尤为特殊。

比利牛斯山脉的棕熊种群数量稀少，被国际自然保护联盟（IUCN）列为极度濒危物种。它们是由 1996 - 1997 年、2006 年和 2016 年从斯洛文尼亚引入的几只棕熊繁衍而来，目前种群数量仅约 80 只。而坎塔布连山脉的棕熊种群同样处境艰难，被列为濒危物种，不过在过去三十年里数量有所回升，从 20 世纪 90 年代的约 100 只增长到如今的 300 多只。

在对这些棕熊种群的研究中，传统的研究方法存在诸多局限性。例如，直接观察棕熊不仅困难重重，还可能干扰它们的正常生活。而此前用于研究棕熊种群的微卫星标记（STRs），在处理法医学样本时，相较于单核苷酸多态性（SNPs）存在明显劣势。STRs 是 DNA 序列中以 2 - 6 个碱基对为单位重复的片段，其片段长度决定了多态性程度，但在处理降解 DNA 时，容易出现问题，且基因分型错误率较高。相比之下，SNPs 是点突变导致的单个核苷酸的替换，片段更短，有利于降解 DNA 的扩增，且基因分型错误率较低。因此，为了更深入、准确地了解棕熊种群的动态变化、遗传多样性以及种群结构，开展一项新的研究迫在眉睫。

西班牙巴塞罗那自治大学（Universitat Autònoma de Barcelona）等机构的研究人员开展了此项研究。研究成果发表在《Conservation Genetics》上，为棕熊的保护工作提供了重要的理论依据。

二、研究方法

1. SNP 面板选择与样本采集：研究人员从 Cronin 等人（2014）描述的 180 个 SNPs 中挑选出 61 个 SNPs（包括一个性别标记），组成一个高效的 SNP 面板。在 2009 - 2023 年间，研究人员在比利牛斯山脉（西班牙、法国和安道尔）和坎塔布连山脉（卡斯蒂利亚 - 莱昂、坎塔布里亚、阿斯图里亚斯和加利西亚）收集了 2382 个棕熊样本，包括粪便、毛发以及少量肌肉组织和血液样本。
2. 实验室检测与基因分型：样本采集后，研究人员使用特定试剂盒和仪器提取 DNA，并进行预扩增和扩增。利用 SNP + 软件对样本进行基因分型，根据基因分型成功率将样本分为不同质量等级。同时，使用九个高变微卫星 DNA 标记对毛发样本进行进一步分析，以排除三带型样本（可能由两只或更多棕熊的混合 DNA 污染导致）。
3. 数据统计与分析：运用多种软件进行数据分析，如用 SNP + 软件估计等位基因缺失率和次要等位基因频率（MAF），用 GENALEX 估计相同基因型偶然共享的可能性（概率同一性 [PID]）和同胞概率同一性（PID_sibs），用 ARLEQUIN 3.5.2.2 估计遗传变异统计量、计算哈迪 - 温伯格平衡（HWE）偏差以及群体间的遗传分化指数（F_ST），还用 FCA 和基于贝叶斯模型的聚类方法（STRUCTURE）分析遗传变异分布和群体结构。

三、研究结果

1. 样本基因分型与个体识别：研究人员成功对 1639 个棕熊样本进行了基因分型（成功率 69%），其中坎塔布连种群有 1030 个基因型，比利牛斯种群有 609 个基因型。粪便样本和毛发样本的成功率相近，新鲜粪便样本成功率更高，毛发样本的成功率与使用的毛发数量有关。通过基因分型，共识别出 400 只不同的棕熊个体，其中坎塔布连种群 290 只，比利牛斯种群 110 只。
2. 遗传多样性分析：在遗传多样性方面，比利牛斯种群和坎塔布连种群的预期杂合度（H_E）均为 0.357，但坎塔布连种群存在 15 个单态位点，而比利牛斯种群未发现单态位点。部分位点的哈迪 - 温伯格基因型比例显著偏离预期，可能是由于遗传漂变导致。比利牛斯种群的 F_IS值显著为负，表明该种群的遗传多样性高于随机交配条件下的预期，这可能与 “Pyros” 熊的繁殖成功有关。“Pyros” 熊与该研究中 89% 的熊存在亲缘关系，不过目前尚未发现 “Pyros 效应” 对种群的明显影响，但未来仍需持续监测。相比之下，坎塔布连种群尽管已隔离了一个多世纪，但仍处于遗传平衡状态。
3. 种群分化与结构分析：F_ST值显示，两个棕熊种群之间存在显著的遗传分化（F_ST=0.309；P<0.05）。贝叶斯模型聚类方法和 FCA 分析均表明，两个种群明显区分开来，且研究人员基于生态信息将样本分为五个簇，进一步揭示了种群内部的结构差异。此外，研究还发现坎塔布连种群存在两个亚种群，且有迁徙个体证明了两个亚种群之间的连通性。
4. 性别比例分析：在性别比例方面，比利牛斯种群的性别比例接近预期（雌性 0.51，雄性 0.49），与其他棕熊种群相似。然而，坎塔布连种群存在明显的雄性偏多现象，检测到的雄性数量约为雌性的两倍。在亚种群层面，东部和西部的雄性数量均显著多于雌性。这种性别比例偏差可能与雄性的扩散行为、样本采集难度以及检测技术等因素有关，但具体原因仍有待进一步研究。

四、研究结论与意义

本研究通过非侵入性 SNP 基因分型技术，深入探究了比利牛斯和坎塔布连棕熊种群的动态变化和多样性。研究结果为棕熊种群的保护和管理提供了关键信息。例如，了解种群的遗传多样性和结构，有助于制定更有效的保护策略，维持种群的遗传健康。对于比利牛斯种群，需要持续监测 “Pyros 效应” 可能带来的长期影响；对于坎塔布连种群，性别比例偏差对种群生存的潜在影响也需要进一步关注。

此外，该研究还证明了非侵入性遗传方法在监测和理解熊类种群方面的有效性。这种方法无需直接接触野生动物，就能获取大量有价值的信息，为保护遗传学领域的研究提供了重要的技术支持。未来，研究人员可以基于这些成果，进一步开展相关研究，以更好地保护这些濒危的棕熊种群。