通过全基因组测序帮助从近亲繁殖中拯救美洲狮

一只彪马小猫，在家中的托儿所里，穿过萨那克鲁兹山脉的红木日志中的一个洞凝视着。如今，科学家已经对10只美洲狮的基因组进行了测序，这可能有助于制定保护策略。

当加州大学圣克鲁斯分校（UCSC）的学生在校园里发现一头死的m鹿时，他们以为它是被土狼杀死的。野生动物生物学家克里斯·威尔默斯（Chris Wilmers）装配了一台摄像机，在夜间监视尸体。但是从阴影中爬出来在鹿上用餐的动物不是土狼-它是一头山狮。

UCSC的进化生物学家霍华德·休斯医学研究所研究员贝丝·夏皮罗说，山狮或美洲狮一直靠近猎物，“所以它一定整天都藏在附近的峡谷中”。

顽固的美洲狮已经为威尔默斯所熟知，威尔默斯曾对它进行无线电收音并标记了他的名字，这是对加利福尼亚山狮进行长期研究的一部分。但是现在，这种被称为36m的动物正变得越来越有名：他是第一个被科学家破译完整基因组的美洲狮。

夏皮罗（Shapiro），威尔默斯（Wilmers）及其同事于2019年10月18日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上报道说，有关36m基因的信息可能会导致更好的保护策略。威尔默斯说，北美各地的许多美洲狮种群正变得越来越孤立。这增加了他们屈服于近亲繁殖及其后果的机会–严重的异常，例如心脏受损和精子畸形。但是有了完整的基因组信息，科学家们可以查明需要涌入新基因的种群，或者找出在种群之间移动的最佳美洲狮。

夏皮罗说，这样的工作可能会阻止其近亲繁殖，并有助于防止当地人口灭绝。“这是第一次以这种方式使用整个基因组。”

这只美洲狮被称为P-22，被称为好莱坞的美洲狮。新的基因组研究表明，北美狮的生存时间可能比以前想象的要长。

该小组的新测序工作并不是解开美洲狮的遗传秘密的第一手工作。遗传学家斯蒂芬·奥布赖恩（Stephen O'Brien），分子生态学家沃伦·约翰逊（Warren Johnson）等人多年的艰苦研究表明，佛罗里达的一小撮美洲狮（也称为美洲狮或黑豹）近交成为危险物种，导致健康缺陷，例如心脏和骨骼上的洞缺少睾丸。这些异常威胁了动物的繁殖能力。

该研究小组还证明，1995年从德克萨斯州西部引进了八只美洲狮，它们添加了足够的新基因来促进健康，并帮助人口从大约30个个体成长为120多个个体。但是该团队的工作受到当时可用的遗传技术的限制，该技术仅依靠分析散布在整个基因组中的DNA或标记的小快照。因此，科学家们并没有对美洲狮基因的完整了解。

动物获得每种基因的两种版本-一种来自妈妈，通常与父亲不同。这意味着后代具有保持种群健康所需的遗传能力。但是，当人口变少并且与世隔绝时，亲戚就会互相繁殖。结果，遗传多样性急剧下降，许多基因组位置最终以一个基因的两个相同版本出现。那时，在注入德州美洲狮基因之前，在近交佛罗里达豹中发现了奇怪的事情，例如弯曲的尾巴，受损的心脏和畸形的精子。

仅仅使用DNA标记，科学家就可以估计种群中遗传变异的平均数量，并大致了解近交水平。但是这种方法不能说这些标记之间的主要DNA片段是否包含相同基因的拷贝。约翰逊说，这些相同基因拷贝的运行至关重要。约翰逊是史密森尼保护生物学研究所物种生存中心的成员，他是沃尔特·里德生物系统单位的成员。

这些延伸的数量和长度为近交的程度以及近交的精确度提供了精确的量度，因此也为种群从遗传悬崖上坠落的距离提供了多近的精确度。夏皮罗解释说，近亲繁殖不是一个缓慢而渐进的过程。她说，相反，一旦积累了足够长的具有相同拷贝的DNA，近亲繁殖的影响就会突然产生，就像关闭电灯开关一样。

1995年从德克萨斯州西部引进了八只美洲狮，这有助于促进佛罗里达黑豹种群的健康。所示的豹试图躲避佛罗里达大柏树国家自然保护区的橡树。

夏皮罗（Shapiro）最出名的是从远古的骨头中回收和测序微小的DNA，绘制出猛ma象和其他现已灭绝的动物的基因变化图，以求其数量减少。但是她也对将相同的技术应用于现有的动物（如北美山狮）有浓厚的兴趣。她想更多地了解灭绝的遗传途径，并可能阻止这些生物遭受同样的命运。一天，当与威尔默斯谈论圣克鲁斯狮子种群时，两位科学家意识到缺少重要信息：美洲狮的完整基因序列。

夏皮罗和她的团队，包括研究生内德达·萨雷米（Nedda Saremi）和博士后梅根·桑普（Megan Supple），使用了威尔默斯从美洲狮36m采集的血液，读取了狮子的整个基因组，作为该物种的参考。然后，为了进行比较，他们使用存储的样本对其他九只美洲狮的基因组进行了测序-另一只来自圣克鲁斯地区，两只来自圣塔莫尼卡山脉，一只来自黄石公园，三只来自佛罗里达州，另一只来自巴西。

“最大的收获是易位有效，但是灯光将继续熄灭，因为它们继续近交。”—贝丝·夏皮罗

这项工作使Shapiro看到了在佛罗里达州花了数年时间才能解决的问题-德州美洲狮的易位提高了佛罗里达黑豹的遗传力和健康度。这些序列也带来了新的见解：即使在掺入了德州DNA后，佛罗里达种群仍比以前认为的更接近遗传边缘。Shapiro解释说：“最大的收获是易位有效，但是由于继续近交，所以灯会熄灭。”

她说，同样，圣克鲁斯山脉的人口“表现不如我们预期”。这10个基因组还存在争议，暗示北美的山狮可能存在的时间比以前想象的要长得多-长达30万年，而不是不到2万年。约翰逊说：“贝丝和她的学生仅能从10个人身上学习到什么，就大大扩展了传统DNA标记所能推论的内容。”

随着科学家们加大全基因组测序的工作，将会有更多的见解。加州大学洛杉矶分校拉克雷茨市加州保护科学中心主任布拉德·谢弗解释说，对一个物种范围内的许多个体的完整基因组进行测序是“非常有价值的”。“这可以告诉我们很多有关气候适应和其他重要保护目标的潜力。”随着成本的快速下降-夏皮罗说，读取36m的基因组的成本约为10,000美元，低于几年前的30,000美元，随后的狮子测序价格仅为400美元-奥布赖恩和其他研究人员正在努力进行更大的努力。“东南部大学的奥布赖恩说：“我们应该为捕获到的每一个小动物进行全基因组测序。”

夏皮罗（Shapiro）的工作已经将非凡的山狮和种群的遗传健康问题放上了新的亮点，为采取更有效的保护策略指明了方向。例如，偏远地区的人群可能会从横跨主要高速公路的野生动物桥梁中受益，从而使动物能够更广泛地游荡。在其他情况下，科学家可能需要将动物从一个地区转移到另一个地区。总体而言，更完整的基因组图谱可以发现近交风险最大的人群­，以及易位的最佳人选。

“现在我们可以做出更明智的决定，”约翰逊说。“过去，我们是根据有限的遗传信息做出决定的。”他说，这种新方法消除了有关人口遗传遗产的大部分不确定性。它还提供了有关如何保存遗传变异的线索，并可以帮助人群适应变化。

尽管彪马（Puma）3千6百万没有活着看到这些进展，但他的遗传遗产仍将保留。威尔默斯在致敬中写道：“无论如何，36m都是坏蛋美洲狮，他也许有一天会成为世界上最知名的美洲狮。” [他的]将是可以与其他美洲狮基因组进行比较和使用的美洲狮基因组。测试各种各样的进化和生态问题。

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参考：Nedda F. Saremi，Megan A. Supple，Ashley Byrne，James A. Cahill，Luiz Lehmann Coutinho，LoveDalén，Henrique V.Figueiró，Warren E撰写的“来自北美和南美的美洲狮基因组提供了近交基因组后果的见解”约翰逊，希瑟·J·米尔恩，史蒂芬·奥布莱恩，布伦丹·奥康奈尔，大卫·P·奥诺拉托，塞思·PD·莱利，杰夫·西奇奇，丹尼尔·斯塔勒，普里西拉·马奎·施密特·维拉，克里斯托弗·沃尔默斯，罗伯特·K。 Wayne，Eduardo Eizirik，Russell B.Corbett-Detig，Richard E.Green，Christopher C.Wilmers和Beth Shapiro，2019年10月18日，《自然通讯》。
10.1038 / s41467-019-12741-1