Cell丨中外30家科研单位合作揭示了犀牛近亲繁殖现状

曾经种类繁多的犀牛科目前只剩下5个物种，据报道，目前在非洲大约有5000头黑犀牛和18000头白犀牛，在印度还有3500头犀牛，而在东南亚地区，爪哇犀牛和苏门答腊犀牛的数量不到100头，目前犀牛已列入《世界自然保护联盟濒危物种红色名录》。这使得重建它们的进化史成为生物学家面临的巨大挑战。

8月24日，中国农业大学植物保护学院昆虫演化与基因组学课题组副教授刘山林博士在《Cell》杂志上发表了题为 Ancient and modern genomes unravel the evolutionary history of the rhinoceros family 的研究论文，该研究由中国农业大学、丹麦哥本哈根大学、瑞典斯德哥尔摩大学等30个单位合作完成。研究人员对五种犀牛(三种已灭绝，两种还活着)的基因组进行了测序，并将其与现存的三种犀牛和一系列外部类群的现有数据进行了比较，解密了犀牛小种群濒危物种的演化历史，确定了现存的非洲和欧亚血统之间的早期分歧。分析还表明，现代犀牛杂合度低，近亲交配高。

系统发育分析

以家马(EquusCaballus)和貘为外群，对8个犀牛物种进行了全基因组比对。通过构建进化树表明犀牛亚科主要呈现三个分支，一个分支包括两个非洲物种Dicerosbicornis和Ceratotheriumsimum，第二个分支包括苏门答腊犀牛、默克犀牛和毛犀牛(以下简称 theDicerorhinus-Coelodonta-Stephanorhinus[DCS]分支)，所有这些犀牛现在或过去的地理范围都包括亚洲的部分地区。第三个分支包括两个犀牛物种(图2A)，Diceroti，是数据集中其余犀牛的姊妹血统(西伯利亚独角兽除外)。因此，犀牛谱系之间的主要分歧与非洲和欧亚大陆物种之间的地理分化有关。系统发育分析证实了已灭绝的西伯利亚独角犀牛是犀牛亚科的外类群。在DCS分支包括苏门答腊犀牛、已灭绝的默克犀牛和毛犀牛姐妹。

物种的基因流

研究人员发现这些犀牛基因组之间存在显著的系统发育不一致，这表明分类群之间存在基因流动或不完全的谱系序列(ILS)。虽然这种拓扑结构代表了整个基因组中物种关系的显性信号，但对单个染色体的分析得到的拓扑结构并不总是一致的(图S1C)。

为了进一步探索系统发育不一致的起源，使用D统计从ILS中区分出古基因流。D统计结果表明基因流和ILS发生在Diceroti和犀牛属物种的祖先之间（图2和2C）。这种基因流可能是由这两种非洲物种的欧亚起源促成的。分析还发现，DCS支系中已灭绝的两个成员(默克犀牛和毛犀牛)之间存在过多的共享衍生等位基因，这表明这两个谱系之间存在基因流动。没有发现苏门答腊犀牛和任一犀牛物种之间存在过多共享衍生等位基因的证据尽管它们在地理上更接近（图1）。这表明苏门答腊犀牛和两个犀牛物种之间没有基因流动或相似水平的基因流动。

物种间分化的时间

使用化石数据校准系统发育和估计谱系分歧时间（图2A）。结果显示，马、貘和犀牛的共同祖先出现在6500万年前，已灭绝的犀牛亚科Elasmotheriinae和现存的犀牛亚科的共同祖出现在3600万年前。Rhinocerotinae亚科中的三个主要分支在1600万年前出现分化，这大概是早中新世末期和中新世气候最佳时期(1700-1400万年前)前后（图2A），该时期比现在温暖了3°C-4°C。而在2000万年前，在非洲-阿拉伯和欧亚大陆之间形成陆地连接之后发生了多样化。这条陆桥可能促成了物种扩散，正如记载中早期犀牛类动物、长颈鹿类、袋鼠和飞禽从欧亚大陆移民到非洲，以及猿类、恐兽类和象形动物等从非洲迁徙到欧亚大陆。

低遗传多样性的驱动因素

之前的研究表明黑、白犀牛和苏门答腊犀牛的遗传多样性水平较低。这可能与这些物种经历了种群数量下降有关。然而，低遗传多样性也可能是特定的生活史特征和/或长期的小种群规模的结果。为了研究这一点，该研究计算了所有8个犀牛物种的全基因组杂合度(GWH)，并将这些估计值与包括反刍动物和哺乳动物在内的一系列其他动物的GWH进行了比较。

为了限制DNA损伤对古代和历史基因组估算的潜在影响，通过颠换来估算GWH。然而，为了与已发表的包含所有变异位点的其他分类群的结果相比较，研究人员根据预期的转换/颠换比重新对估计结果进行重新校准(图S3A)。研究结果结果表明，与历史上的爪哇和灭绝的犀牛基因组相比，现在的犀牛基因组的GWH显著低(单因子方差分析，n=8，F=7.4，p=0.04)。另一方面，与大多数其他动物的比较表明，犀牛表现出相对较低的GWH水平，特别是相对于所有动物的组合数据集，对比反刍动物和其他大型草食动物也是如此(图3A)。另外，猫科动物也显示了低GWH(图S3B)，这并不是没有预料到的，因为肉食动物/捕食者通常没有草食动物/猎物丰富。这些发现与参考基因组的选择有一定的关系(图S3C)。

为了更好地描述观察到的GWH水平，通过连续性纯合(ROH)的分布来描述基因组中的近交系水平。在西伯利亚独角犀牛中没有检测到任何ROH片段，这可能反映了它与白犀牛基因组在系统发育上的特殊距离，人为地夸大了杂合子位点（图S3C）。相比之下，在所有其他犀牛物种中都检测到>2Mb的ROH片段，其中除毛犀牛以外的所有物种也表现出长达5Mb的延伸。然而，与历史上已灭绝的爪哇犀牛、默克犀牛和毛犀牛的基因组相比，现代犀牛的基因组中的近亲交配水平明显更高(单向方差分析，n=7，F=36.7p=0.002)，这与ROH片段的总长度成正比。（图3B）。

总体而言，GWH和近交水平的比较表明，最近的种群下降是20世纪严重的人为压力导致的，这导致了遗传多样性的显著丧失和近交水平的提高。然而，现存物种和灭绝物种的基因组同样显示出比其他动物更低的GWH水平。此外，在爪哇犀牛、默克犀牛和毛犀牛的基因组中观察到适量的长ROH片段，这与这些物种近亲繁殖的背景是一致的。因此假设，有限的遗传多样性和适度的近亲繁殖水平是犀牛生活史的固有特征，在这种情况下，低种群密度和有限的扩散导致遗传漂移增加，以及亲属之间偶尔发生交配。

突变负荷

使用成对序列Markovian联合（PSMC）模型进一步评估犀牛科整体低GWH和中等近亲繁殖水平的基因组背景。令人惊讶的是，这8个物种要么在过去两百万年中表现出普遍的持续减少，要么在更长的时间内表现出持续的小规模减少（图4）。

先前的研究表明，在较长时间内保持较低的种群规模可以清除有害等位基因，同时保持较低的基因组水平的遗传多样性。而该研究发现的是，所有犀牛在其历史的较长时期内都有过较小的突变率（Ne），这就有理由解释了这种低种群规模的情况。

通过计算来自不同支系的7种犀牛和30种哺乳动物的功能丧失(LoF；通常是高度有害的)与同义突变的比率，比较犀牛与其他物种的突变负荷。结果表明，犀牛的突变负荷水平在其他现代哺乳动物观察到的范围内(图5)。然而，与今天的犀牛基因组(即黑、白、苏门答腊和更大的独角犀牛)相比，已灭绝的犀牛基因组(西伯利亚独角兽、毛犀牛和爪哇犀牛)显示出明显更多的LOF突变(图5；单因素方差分析，n=7，F=29.0，p=0.003)。研究推测，现存的犀牛可能在过去100年里经历了一些与它们的种群数量下降有关的突变负荷的清除。

结语

该研究使用来自超过五万年前的古DNA样品以及基因组大数据分析为解析犀牛的演化历史补充了关键的缺失数据，为重建可靠的犀牛系统关系提供了重要的支持。同时，解决了与现存的和最近灭绝的犀牛的进化史有关的长期争论，并提供了相对较低的基因组杂合度和适度的近亲繁殖水平可能代表它们长期的自然状态的证据。这些发现表明，目前犀牛基因组中观察到的低水平多样性和高近亲繁殖只能部分归因于最近的数目下降。这意味着最近的下降可能对种群遗传方面的影响较小。生存能力比之前认为的要强。尽管如此，现存的犀牛在未来无疑面临着巨大的挑战，主要是由于人类和环境的影响。该研究还发现了IFT43(鞭毛内转运43)的移码突变可能导致犀牛视力不佳。

原文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00891-6

end