在犀类的后代中，现仅残存有犀牛科的4属5种，主要分布在亚洲和非洲，其中分布在亚洲的犀牛已经濒临绝种。犀牛的最大威胁是人类，由于国际市场对犀牛角有所需求，盗猎者因此可获得非常高的经济利益。基因组测序可以作为一种工具，用于识别潜在有害突变数量较少的特定个体，而这些个体特别适合濒危物种间的基因交流，为濒危物种保护提供研究基础和策略。
该文对2021年Cell和Nature Communications发表的两篇基于犀牛基因组进行种群规模下降机制的研究论文进行解读，从内到外深度解析犀牛趋近灭绝的原因。从更广泛的角度而言，这两篇研究在进行濒危物种种群规模下降原因研究的同时，强调了现代基因组测序技术在指导全球濒危物种保护工作中的潜力。
研究论文1: 古代和现代基因组揭示了犀牛家族的进化史
论文题目：Ancient and modern genomes unravel the evolutionary history of the rhinoceros family
发表期刊：Cell（IF=41.582）
发表时间：2021.08
研究背景：
一度多样化的犀科只剩下五个物种，这使得重建它们的进化历史成为生物学家面临的挑战。该研究对五种犀牛物种（三种已灭绝和两种现存）的基因组进行了测序，并将其与其余三个现存物种和一系列外群的现有数据进行了比较。确定了现存非洲和欧亚谱系之间的早期分歧，解决了关于现存犀牛系统发育的主要争议。
主要研究结果：
1. 犀牛系统发育分析
该研究分析了八种犀牛代表物种的基因组数据集（图 1）。其中包括五种现存的犀牛物种，黑犀牛（Diceros bicornis）、白犀牛（Ceratotherium simum）、苏门答腊犀牛（Dicerorhinus sumatrensis）和印度犀牛（Rhinoceros unicornis）的de novo基因组和爪哇犀（R. sondaicus）的重测序数据。此外，对来自更新世晚期三种灭绝犀牛（板齿犀、梅氏犀和披毛犀）物种的化石样本进行了基因组测序。
图1 研究的八种犀牛的分布范围
使用驯养马（Equus caballus）和貘作为外群，对八种犀牛进行了全基因组比对，推断出系统发育树。系统发育分析确定了犀牛亚科中的三个主要进化枝，为犀牛进化的地理假说提供了强有力的支持。第一个进化枝由两个非洲物种Diceros bicornis和Ceratotherium simum 组成。第二个进化枝包括苏门答腊犀、梅氏犀和披毛犀（也被称为Dicerorhinus-Coelodonta-Stephanorhinus [ DCS ] 进化枝）。第三个进化枝包括两个犀牛物种（图2A）。
2. 物种间的基因流
该研究发现犀牛基因组中存在显著的系统发育不一致，表明类群之间存在基因流动或不完全的谱系分选（ILS）。用 ILS 模拟了在遗传漂变假设下预期的基因树分布，并将其与经验数据进行了比较。发现模拟数据和经验数据之间存在分歧，这表明ILS和基因流都是对物种树支持减少的原因。
图2 犀牛系统发育分析
为了进一步探索系统发育不一致的起源，使用D-statistics分析发现，在DCS分支的两个灭绝犀牛（披毛犀和梅氏犀）之间，存在过量的共享衍生等位基因，表明这两个谱系之间存在基因流动。同时该研究发现苏门答腊犀牛没有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）。表明苏门答腊犀牛和两个灭绝犀牛之间没有基因流动。
3. 物种间分化的时间研究
使用化石时间来校准系统发育并估计谱系分化时间（图2A）。结果显示，已灭绝的犀牛亚科和现存犀牛亚科的共同祖先的大约出现在 36 mya。犀牛亚科的三个主要分支在16 mya发生分化（图2A），约20 mya非洲-阿拉伯和欧亚大陆之间的陆地连接形成之后发生多样化。这条陆桥促进了物种扩散，例如早期犀牛类、长颈鹿类、袋鼠和飞禽类动物，从欧亚大陆移民到非洲，以及猿类、恐兽类和象形动物从非洲迁徙到欧亚大陆。
4. 低遗传多样性的驱动因素
该研究计算了所有八种犀牛物种的全基因组杂合度（GWH），并与其他一系列动物物种进行比较。为了限制DNA 损伤对古代和历史基因组估算的潜在影响，该研究基于基因颠换估计GWH。结果表明，与爪哇犀牛和灭绝犀牛的基因组相比，当今犀牛基因组的GWH显著降低。另一方面，与各种动物的比较表明，犀牛总体表现较低的GWH 水平（图3A）。
图3 八种犀牛不同分类群和ROH分布估计的全基因组杂合度比较
为了更好地描述观察到的GWH水平，通过纯合子（ROH）的分布表征了基因组中的近亲繁殖水平。相比之下，在所有其他犀牛物种中都检测到了>2 Mb 的ROH片段，其中除披毛犀之外的所有物种也表现出长达5 Mb 的延伸。然而，与历史上的爪哇犀牛、灭绝的梅氏犀和披毛犀相比，现代犀牛基因组中的近亲繁殖水平显著更高，这与ROH片段的总长度成正比（图 3 B）。
GWH和近亲繁殖水平的比较表明，20 世纪由于人类活动的巨大压力导致犀牛种群下降，导致遗传多样性的显著丧失，以及近亲繁殖水平的增加。然而，与其他动物物种相比，现存物种和灭绝物种的基因组均表现出低水平的GWH（图 3）。该研究假设，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内在特征，其中，低种群密度和有限的扩散导致了遗传漂移增加以及亲属之间偶尔发生交配。
5. 统计学和突变负荷研究
使用PSMC模型模拟了更新世期间有效种群规模（Ne）的变化。研究发现，所有8个物种，要么在过去的200万年中表现出Ne普遍持续下降，要么在更长的时间内表现出持续的小规模Ne降低（图4）。该研究发现，所有犀牛物种在其历史的较长时期内都有一个小的突变率，表明可能较长时间保持较低的种群规模可以清除有害的等位基因，同时保持低水平的全基因组遗传多样性的情况。
图4 八种犀牛的种群分布轨迹
通过计算七种犀牛物种和30 种哺乳动物物种的功能丧失（LoF：通常是高度有害的）与同义突变的比率，没有发现过去几十年中经历种群规模下降的物种的突变负荷积累的证据。因此假设现存的犀牛可能在过去100年中经历了一些与它们的种群规模下降相关的突变负荷清除。
图5 多种哺乳动物物种的基因组变异效应
总结：
该研究表明，虽然犀牛基因组总体上表现出低水平的全基因组多样性，但杂合性在现代物种中最低，近亲繁殖最高。这些结果表明，虽然低遗传多样性是犀牛的长期特征，但最近这种情况尤其恶化，反映了人类活动所导致的犀牛种群数下降。
研究论文2: 基因组测序洞察世界上最后幸存的苏门答腊犀牛种群保护状况
论文题目：Genomic insights into the conservation status of the world's last remaining Sumatran rhinoceros populations
发表期刊：Nature Communications（IF=14.919）
发表时间：2021.04
研究背景：
苏门答腊犀牛只剩下不到100头，是世界上最濒危的哺乳动物物种之一。最近关于犀牛健康问题和低生育率的研究报告，引起了人们对剩余犀牛种群遭受近亲繁殖问题的担忧。然而，人们对这些神秘犀牛的遗传状况知之甚少。为了调查苏门答腊犀牛是否受到遗传因素的威胁，研究人员对代表婆罗洲和苏门答腊现今种群以及最近在马来西亚半岛灭绝的种群的16个个体的基因组进行了测序，调查过去100年群体数量严重下降的遗传原因。
主要研究结果：
1. 种群结构和种群历史
为估计现代和历史种群的基因组多样性和突变负荷，该研究对苏门答腊、婆罗洲和马来半岛的18个重新测序的基因组数据比对到苏门答腊犀牛重新组装的参考基因组，基于遗传距离和主成分分析的系统发育树，揭示了三个与苏门答腊、婆罗洲和马来半岛种群对应的不同的单系群落（图1）。
图1 苏门答腊犀牛的采样地理来源及系统发育分析
使用PSMC估计了苏门答腊犀牛Ne的时间波动，所有三个种群都经历了类似的种群变化轨迹，特点是Ne下降（图2），苏门答腊和马来半岛种群分布轨迹基本相同，约200-100 ka BP有些许恢复，在随后的60 ka BP内种群趋于稳定。婆罗洲种群在200 ka BP之后继续下降，但可能在60-20万ka BP左右经历了种群稳定。
图2 苏门答腊犀牛的种群历史和种群分化时间
2. 现代种群的遗传多样性和近亲繁殖
通过估计苏门答腊犀牛全基因组杂合度的差异，测量每1000bp的杂合位点数量，发现种群之间杂合和近亲繁殖存在显著差异，婆罗洲和苏门答腊种群平均只有不到10%的基因组包含在长ROH片段（FROH≥2 Mb）内，而马来半岛种群在灭绝前不久有30%的基因组包含在长ROH片段内。
图3 苏门答腊犀牛三个现代种群的近亲繁殖、相对突变符合和LoF数量
该研究使用两种互补方法估计突变负荷，首先使用基因组进化率剖析分数（GERP分数）估计单个相对图片负荷，发现与苏门答腊和马来半岛种群相比，婆罗洲的种群相对突变负荷要高得多，而苏门答腊种群的突变负荷又高于马来半岛种群。其次使用基于白犀牛基因组的33,026个基因注释，来估计编码区域的突变负荷，确定了携带LoF的位点，在三个种群中发现了373个LoF位点，与其他两个现代种群相比，婆罗洲个体的LoF数量显著高于其余两个种群。
在野生苏门答腊犀牛种群中，单个个体的易位不太可能导致长期的基因拯救效应，然而野外存活的犀牛数量非常少，获得大量个体配子具有挑战性。
3. 遗传参数的时间变化及正选择分析
该研究发现，马来半岛种群的GERP分数估计突变负荷在时间上有所下降，但是单个基因组的LoF数量没有差异（图4）。该研究使用两种互补方法鉴定可能与不同栖息岛屿适应相关的正选择基因，并使用种群分支统计（PBS）来估计每个分支和每个基因特异分化量。在所有相对的种群比较中，确定了12个具有无限PBS值，表明群体样本之间存在的差异是固定的，说明这些基因进化出适应性存在差异的血统和谱系。
图4 苏门答腊犀牛婆罗洲和马来半岛种群近亲繁殖、相对突变负荷和LoF数量的时间变化
总结：
研究人员从马来西亚半岛最近灭绝的种群中发现了一个严峻的迹象，即婆罗洲和苏门答腊岛的剩余种群可能很快会发生灭绝。对历史和现代基因组的比较表明，马来西亚半岛种群在灭绝前经历了近亲繁殖水平的快速增长。这些结果意味着，如果剩余的两个种群的近亲繁殖水平开始增加，可能会加速它们的灭绝。为了尽量减少灭绝的风险，研究人员指出，当务之急是增加种群规模。建议采取行动，使婆罗洲和苏门答腊岛之间的基因得以交流（例如通过转移个体或使用人工授精技术）。
参考文献：
1. von Seth J, Dussex N, Díez-Del-Molino D, et al. Genomic insights into the conservation status of the world's last remaining Sumatran rhinoceros populations. Nat Commun. 2021, 26;12(1):2393. doi: 10.1038/s41467-021-22386-8. PMID: 33896938.
2. Liu S, Westbury MV, Dussex N, et al. Ancient and modern genomes unravel the evolutionary history of the rhinoceros family. Cell. 2021, 16;184(19):4874-4885.e16. doi: 10.1016/j.cell.2021.07.032. PMID: 34433011.