從微進化角度理解生物多樣性形成的內在驅動機制是保護遺傳學的重要科學問題之一。其中，對目標物種的遺傳結構及種群歷史動態評估，及雜交帶雜交適合度的分析是該學科研究的重難點。如何恰當的區分種群分化，乃至物種形成是核位點雜交還是環境選擇的結果仍是該學科目前需要面對的挑戰之一。近年來，隨著基于一致性理論的基因流檢測模型的興起與發展，通過整合時間校正的系統發育關系、生態氣候因素、形態數據及多種統計學手段來探討物種形成的內在和外在機制，能更好地為生物多樣性保護提供新的視角和思路。
中國科學院成都生物研究所謝鋒研究員帶領的團隊以青藏高原山地溪流中特有的西藏齒突蟾 (Scutiger boulengeri) 為模型，通過過去三年詳實的野外調查，分子實驗數據及文獻資料等，解析了該蟾的線粒體及核基因遺傳結構，基于一致性理論 (Coalescent theory) 下的近似貝葉斯模型 (DIYABC和Migration-N) 評估了基于核基因的種群歷史動態，運用地理漸變 (Geographic cline) 分析雜交帶分布位置，并整合該蟾分布區氣候因子和頭體長等信息利用多種統計學方法 (multiple matrix regression with randomization、partial Mantel tests 和Mantel tests) 進一步評估了該混亂群體結構的誘導因素。
結果顯示：該物種種內遺傳結構存在顯著的核質不一致。從線粒體基因系統發育分析發現，該蟾種內共存在8個小支系分別被歸入3個深度分化的遺傳支系中，具有明顯的地理結構 (圖1A)；而核基因對其遺傳結構分析揭示該蟾種內存在三個完全不同的群體結構，且群體間存在高頻基因流，沒有明顯的地理結構 (圖2A和2B)。基于一致性理論 (Coalescent theory) 的近似貝葉斯模型 (DIYABC和Migration-N) 分析，發現種內群體結構分化是由祖先群體經過地理隔離 (早更新世，約2.49 Ma) 后初步分化的2個群體的部分個體由于氣候波動發生二次接觸且雜交 (全新世，約0.59 Ma) 產生第3個群體后代，該歷程伴隨種群大小的變化 (圖3A)。線粒體基因遺傳分化指數 (FST) 與核基因FST的比值為2.3，未檢測出偏雄性擴散。地理漸變 (Geographic cline) 分析顯示該蟾在中國西南地區 (橫斷山附近) 建立了一個寬闊的雜交帶 (漸變寬度277.63 km，圖3B)，群體間具有明顯的雜交漸滲，且不存在明顯的生殖隔離，表明該雜交種可能具有較高的適合度。此外，該研究結果表明線粒體基因 (mtDNA) 表現為地理隔離 (Isolation by distance, IBD) (圖4A)，而核基因 (nuDNA) 表現為環境隔離 (Isolation by environment, IBE) (圖4B和4C)，對該線粒體-核基因分化不一致推測群體分化首先是由地理隔離引起的，然后由降雨介導的雜交產生了寬闊的雜交帶，這導致了西藏齒突蟾核基因較混亂的地理結構。該研究揭示了西藏齒突蟾復雜的種群歷史動態，由特定氣候因素促進了該系統內的基因流動，最終導致了該物種特有的遺傳模式。
圖1. 基于線粒體DNA的時間校準系統發育樹和采樣點分布圖 (原文Figure 1.)
圖2. 地理分布區和遺傳結構分析 (原文Figure 2.)
圖3. 最佳種群歷史動態模型和地理漸變分析 (原文Figure 6.)
圖4. Mantel test分析 (原文Figure 7.)
本研究報道以“A wide hybrid zone mediated by precipitation contributed to confused geographical structure of Scutiger boulengeri”為題，在線發表在國際著名期刊Zoological Research。中國科學院成都生物研究所博士生藺秀琴為該論文第一作者，謝鋒研究員為通訊作者。江建平研究員、楊偉釗研究員、首都師范大學史宗岡教授參與了研究。該研究得到第二次青藏高原綜合科學考察研究計劃 (STEP, 2019QZKK05010503)、生態環境部生物多樣性調查評估項目 (2019HJ2096001006) 和四川省科技廳基礎條件平臺建設 (2019JDPT0020) 及中國生物多樣性觀測網絡 (Sino BON) 等項目資助。