赋能科研 | 为生物演化历史研究提供工具支撑！华大智造助力犀牛演化历史科研实现关键性突破

犀牛属于哺乳纲奇蹄目，现生的五个物种全都面临着灭绝风险，主要分布在亚洲和非洲。犀牛角作为传统医学药材具有不菲的黑市价格，盗猎者通常会将犀牛直接杀死取角，对野生种群造成了极大破坏。因此，亚洲犀牛已经濒临灭绝，而非洲犀牛的种群也面临着重大威胁。

犀牛是体型仅次于象的大型陆地动物，其进化历史和适应机制受到学界的广泛关注。自达尔文进化论建立以来，现生犀牛的演化关系就困扰着数代生物学家，特别是：现生犀牛代表性物种的表型特征与其地理分布范围存在一定的矛盾，很难用进化论合理解释。分布在亚洲的苏门答腊犀和非洲犀牛都属于双角犀牛，而其他分布在亚洲的犀牛，包括印度巨角犀和爪哇犀，都是独角犀牛。

这种特殊的形态特征分布特点使得演化学家无法根据现生犀牛的地理分布和性状特征推演出犀牛类群可靠的演化关系。一个重要的原因是更新世之前的犀牛类群发生过大规模的物种灭绝，缺乏连续性的形态和基因序列特征。而在生命演化史上，多次出现的生物大灭绝造成了生物类群连续性证据的缺失，是目前生物演化历史研究中普遍存在的挑战。

2021年8月24日，来自中国农业大学、丹麦哥本哈根大学以及瑞典斯德哥尔摩大学等机构的多国学者在Cell上发表文章Ancient and modern genomes unravel the evolutionary history of the rhinoceros family，该研究对五种现存和三种已灭绝的犀牛物种的基因组进行研究分析，在犀牛科的演化研究中取得了关键性的突破。值得一提的是，这项研究采用了华大智造DNBSEQ测序平台。

该研究证实了现生犀牛的祖先在约一千六百万年前最早分化为非洲和亚欧大陆两个支系，现存的亚欧支系同时包括独角犀牛（印度大角犀和爪哇犀）及双角犀牛（苏门答腊犀）（图1）。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。

图1. 犀牛科演化关系和其地理分布。蓝色演化支系代表双角犀牛，红色代表独角犀牛，而黑色是具有单一前角的板齿犀。黑色十字表示已灭绝的物种

另外，该研究还通过全基因组计算的遗传多样性的数据显示现存的犀牛物种与距今超过五万年的犀牛物种相比于其他哺乳和反刍动物都呈现出较低的遗传多样性（图2）。

图2. 全基因组杂合水平以及连续纯合子区域在不同物种间的比较。A. 不同动物类群全基因组杂合度的比较；B. 不同犀牛物种连续纯合子区域长度的分布

研究通过放射性碳14定年法测定得到了古犀牛存活时期，证明这些古生物的生活时代远早于其物种大规模灭绝的时期。因此，这些古犀牛个体极有可能来自健康的种群，还未受到严峻的生存压力，说明犀牛较低的遗传多样性在一定程度上是其本身的生物学特征，并没有对其物种的生存活力和健康带来显著的负面影响。而现生犀牛因为近百年来受到人类活动干扰导致种群数量急剧下降，具有更低的遗传多样性，部分是源于其类群本身的遗传多样性特征。

而历史种群数量分析显示，本研究中八种犀牛在近两百万年的历史过程中种群数目全部呈现出持续下降的趋势，而其较小的种群数量已经维系了一段时间，现存的个体可能已经适应了小种群的特征。犀牛对小种群的适应，同样也体现在其基因组突变类型的积累中。研究发现相较于古犀牛而言，现存的犀牛物种具有显著低比例的有害突变（图3），这极可能是因为现生的犀牛种群在过去百年内通过群体遗传选择，已经尽量多地清除掉有害突变以保证其小种群的健康。

图3. 一系列哺乳动物基因变异效应特征。Loss of Function mutation (LoF) 这里特指无义突变，反应了物种突变负荷（mutation load）,而missense/silent 是错义突变和同义突变的比例。

该研究的通讯作者Love Dalén 表示这些研究结果对犀牛而言部分是好消息，但也不全是。比如犀牛较低的遗传多样性很可能不会影响其种群的生存活力、健康以及种群未来的发展，但是同样也发现现生的犀牛物种相比于本研究中的古犀牛个体呈现显著更低的遗传多样性和更高比例的近交繁殖，说明人类对犀牛的捕杀和栖息地的破坏已经对犀牛的基因组产生了一定程度的负面影响，增加了它们灭绝的风险。

从犀牛保护的实践出发，这些发现一定程度上缓解了我们对犀牛保护前景的焦虑，进一步加深了我们在未来对其保护工作的认识。比如在种群恢复工作中我们也许不必过多关注其遗传多样性，而是把保护的资源更多投入到栖息地的保护和反盗猎等保护种群数量的有效手段和方法上。

中国科学院魏辅文院士表示对濒危动物而言，基因组承载了其演化历史的关键信息，是极其宝贵的遗传资源，也是极其宝贵的研究资源。本研究很好地体现了基因组学在研究物种演化历史和物种保护方面的优势。

五种现生犀牛的分化发生在上千万年前，每种犀牛都在各自的支系上演化了数百万年的历史，任何一个物种的灭绝都是数百万年演化历史信息的丢失。而馆藏标本所携带的遗传信息能够被现代基因组学方法解密，为理解古老的演化机制带来新的机遇，让我们有机会了解生物在漫长的演化历史过程中关键特征的变化，同时也为我们提出合理的保护策略提供科学数据的支持。

该研究的第一作者兼第一通讯作者（lead contact），中国农业大学植物保护学院的刘山林博士表示，该项目的完成依赖于全球超过30家研究机构的合作。研究学者来自生物学多个不同的研究领域，有着多元化的知识结构和背景，而“大数据”本身是能够将不同领域内专家串联起来的枢纽，使大家有机会可以跨学科、多维度地从基因组特征、演化历史、表型特征、遗传多样性等方面研究濒危物种的演化问题，并对其保护提供科学依据。古DNA和基因组学研究方法与经典的博物馆馆藏样品相结合，在研究物种的演化和保护方面具有广阔的应用空间。

刘山林博士所在的昆虫演化与基因组学课题组同时还在利用博物馆的馆藏标本样品研究近百年来人类活动对生物多样性，尤其是蜜蜂多样性的影响。

世界范围内的博物馆典藏了超过数十亿件的生物样品，涵盖了近万年来生物的历史变迁，因此为生物的演化、种群地理、物种保护等生态学和系统生物学研究提供了丰富的数据资源。

生物标本是生物特征和遗传信息的综合载体，编码了生物演化和适应的关键信息。与单纯利用遗传学算法追溯演化历史的方法所不同的是，博物馆标本为我们提供了研究物种基因型及其频率随时间和环境变化的直接证据。

刘山林博士表示，随着分子生物学技术，比如无损标本的核酸提取、高通量测序技术及生物信息工具的发展，我们可以利用博物馆标本解决越来越多的演化问题，包括利用博物馆标本了解保护动物在种群急剧收缩前的基底信息、界定物种界限、理解自然种群的遗传特征等。而小种群的生存力也是关乎到濒危物种保护的一个关键问题，分子遗传学的研究无疑会对物种多样性的保护，包括濒危物种保护政策的制定提供可靠的数据支持。

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