2020-08-11
今年7月哥倫比亞大(da)(da)學(xue)(xue)、澳大(da)(da)利亞海洋科(ke)學(xue)(xue)研究(jiu)所以及德克(ke)薩斯大(da)(da)學(xue)(xue)奧斯汀(ting)分(fen)校的研究(jiu)者們在Science上聯(lian)合發表了(le)文章，他(ta)們通過對大(da)(da)堡礁(jiao)中(zhong)心約300km范圍(wei)內一(yi)種造礁(jiao)珊(shan)瑚(hu)(hu)進行群體遺傳學(xue)(xue)研究(jiu)，構建(jian)了(le)一(yi)個可以預測珊(shan)瑚(hu)(hu)白化的統(tong)計模型(xing)，為全球珊(shan)瑚(hu)(hu)物種的保護提供了(le)有利的工具。
項目背景(jing)
人為(wei)的(de)(de)全(quan)(quan)球變暖(nuan)正(zheng)在(zai)改變全(quan)(quan)球的(de)(de)生態(tai)系統，迫使物種(zhong)迅速響應不斷變化(hua)的(de)(de)環境。海(hai)水溫度(du)升高(gao)對(dui)海(hai)洋(yang)生態(tai)系統的(de)(de)影響尤其(qi)具(ju)有破壞性，使得(de)全(quan)(quan)世界(jie)的(de)(de)珊(shan)瑚礁(jiao)正(zheng)以(yi)驚人的(de)(de)速度(du)減(jian)少。珊(shan)瑚礁(jiao)覆蓋不到1％的(de)(de)海(hai)底，但卻擁有者超過海(hai)洋(yang)1/4的(de)(de)生物多樣性，對(dui)人類(lei)的(de)(de)重要(yao)性不言而(er)喻。
升高的(de)(de)海水(shui)溫(wen)度（甚至僅(jin)略高于長期最大(da)值）也會導致珊(shan)瑚(hu)(hu)的(de)(de)白化現(xian)象(xiang)，長期的(de)(de)白化最終可能導致珊(shan)瑚(hu)(hu)群(qun)落的(de)(de)死亡。面對迅速升高的(de)(de)海水(shui)溫(wen)度，迫(po)切需要采取新的(de)(de)保護策略，以防止珊(shan)瑚(hu)(hu)群(qun)落的(de)(de)大(da)規模(mo)的(de)(de)損失。而這些工作的(de)(de)順利開展，離不開對珊(shan)瑚(hu)(hu)白化遺傳基礎的(de)(de)清(qing)晰了解(jie)。
不同珊瑚物種和同種珊瑚內的不同個體對白化和對熱脅迫的響應各有不同，存在表象差異；在印度洋-太平洋地區普遍分布的鹿角大珊瑚（Acropora millepora）中，研究表明其耐熱性是部分可遺傳的，因此，理論上個體間的白化差異應該可以從基因組數據中加以預測。
白化現象：溫度或鹽度變化帶來的生(sheng)態壓力破壞了(le)造礁珊瑚(hu)與其(qi)細胞內光合(he)鞭(bian)毛(mao)藻（共(gong)生(sheng)雙鞭(bian)毛(mao)科(ke)）之間(jian)的共(gong)生(sheng)關系，這(zhe)種現象稱為白化現象。
實驗材料與方法
1 、基因組組裝與(yu)注釋
組裝物種：A. millepora
測序策略：PacBio、10X Chromium barcoded單(dan)細(xi)胞測序法（illumina PE）
組(zu)裝(zhuang)策略：pacbio數(shu)據(ju)(ju)組(zu)裝(zhuang)contigs；10×單(dan)細胞數(shu)據(ju)(ju)連接scafflod和矯正(zheng)，50×幼蟲非共生基(ji)因組(zu)測(ce)序數(shu)據(ju)(ju)剔除共生藻類數(shu)據(ju)(ju)；簡化（RAD）遺傳(chuan)圖譜數(shu)據(ju)(ju)重排contigs；轉(zhuan)錄(lu)組(zu)數(shu)據(ju)(ju)預(yu)測(ce)基(ji)因及組(zu)裝(zhuang)結(jie)果注釋。
2、 樣本(ben)收集及表(biao)型判定
樣(yang)本選(xuan)取: 從12個(ge)分布(bu)在大堡礁中心約300公里范圍內的珊(shan)瑚礁中收(shou)集了253個(ge)鹿角珊(shan)瑚個(ge)體。
樣本采樣時(shi)間：2017.3.14~2017.4.1（白(bai)化高峰期）。
表型(xing)判定：白化等級(ji)判定，
1、視覺白化得分(fen)，Coral Color Reference Card ；
2、光合色素濃度(du)（吸光度(du)665、649、632nm）；
3、共(gong)生(sheng)體細胞密度，DC Protein Assay。
3、群體遺傳學及(ji)微進化分析(xi)
測(ce)序策(ce)略：從(cong)12個(ge)群體中各選出4個(ge)個(ge)體進行>20x的高(gao)覆蓋(gai)度重測(ce)序；
分(fen)析內容(rong)：連鎖(suo)不平衡（LD）衰減分(fen)析，核(he)苷酸多(duo)樣性分(fen)析，歷史(shi)有效種(zhong)群(qun)大(da)小（Ne）、有效遷移率、基因(yin)組單倍(bei)型 。
4、白化現象全基因組(zu)關聯分析
測序(xu)(xu)策略：作(zuo)者只對采集的(de)珊瑚中48個個體進(jin)行了(le)高覆(fu)蓋度基因組測序(xu)(xu)，剩下(xia)的(de)個體則是采用低覆(fu)蓋度測序(xu)(xu)進(jin)行的(de)。
分析方法：根據(ju)44個個體的(de)重測(ce)序數據(ju)，用read-back phasing法構建了參(can)考單倍型集合，并用此(ci)對低通量測(ce)序樣本進行(xing)了基(ji)因(yin)型填(tian)補，排(pai)除了可(ke)能是物種鑒定錯誤、罕見的(de)變(bian)異(yi)譜系、親緣關(guan)系太近、以及表型數據(ju)缺失的(de)異(yi)常值后，最終213個表型樣本進行(xing)全(quan)基(ji)因(yin)組關(guan)聯分析。
5、PGS(白(bai)化預測模型(xing))的構建與驗證
分析方法(fa)：基于LD的聚類和GWAS中估(gu)計(ji)的SNP效應量構建(jian)了多基因評分模型（PGS，或稱育種值）。由(you)于缺乏除了所(suo)研究樣(yang)本(ben)之外的其他數據，用Jackknife交叉驗證法(fa)評估(gu)了PGS的預(yu)測(ce)準確性(xing)。
結 果
1、參(can)考基因組(zu)(zu)組(zu)(zu)裝(zhuang)(物種：Acropora millepora（鹿角大珊(shan)瑚）)
圖(tu)1. 鹿角大珊瑚基因組組裝(zhuang)及(ji)結果
最終獲得了(le)一個大小為475M的基(ji)因(yin)組，其scaffold N50值達到了(le)19.8Mb。隨后，用已(yi)發表的轉錄組數據，從(cong)得到的基(ji)因(yin)組中預測到了(le)28,188個基(ji)因(yin)，其中超過96%的基(ji)因(yin)在(zai)真核生物中都(dou)存在(zai)單拷貝同(tong)源。
2、群體遺傳學樣品采集
圖(tu)2. 采樣地分布(bu)圖(tu)（B）及環境因子(zi)主成分分析（C）
為(wei)了研究(jiu)與白化響應相關的(de)遺傳變(bian)異，2017年(nian)3月的(de)一次白化高(gao)峰期(qi)間，研究(jiu)者們從12個(ge)分布在(zai)大堡礁中(zhong)心約300公里范圍內的(de)珊瑚(hu)礁中(zhong)收集了253個(ge)鹿角(jiao)珊瑚(hu)個(ge)體樣本（圖2B），并(bing)采集了這些珊瑚(hu)棲息(xi)地的(de)生態環境數據。
將40個不同的環境空間參數進行整合分析，發現采集的珊瑚樣本的分布深度介于1.2-7.2m之間，涵蓋了鹿角大珊瑚在礁坪和礁上斜坡上的通常分布深度范圍。采樣地的生態條件則隨經度和緯度不同而變化，12個采樣地的月平均海水表層溫度差異超過了0.5℃（圖2C）。
3、白化表型評估
圖3 白化程度表(biao)型評估
對這(zhe)些珊瑚(hu)個(ge)體(ti)的視覺白(bai)化得(de)分、光合色(se)素濃度、共生體(ti)細(xi)胞密度這(zhe)三個(ge)指標(biao)進行測(ce)定，用以衡量其(qi)白(bai)化程度。結果顯示，這(zhe)253個(ge)珊瑚(hu)個(ge)體(ti)的白(bai)化表型(xing)間(jian)存在較大的變異。
4、連鎖不平衡衰減及歷史種群大小分析
從12個群體中各選出(chu)4個個體進行(xing)>20x的(de)高覆蓋(gai)度重(zhong)測序，獲得了將近680萬個高質量SNPs位點。經主成分分析(xi)，剔除(chu)掉了4個可能存(cun)在鑒定(ding)錯(cuo)誤(wu)或(huo)罕見(jian)譜系分化的(de)離群個體，保留了44個不存(cun)在親緣關系的(de)個體進行(xing)后續分析(xi)。
圖4. 鹿(lu)角大珊瑚連(lian)鎖不平衡(heng)（A）、核苷酸多態性（B）及歷史(shi)種群(qun)大小（C）分析
從獲得的(de)680萬個SNP位點中隨機選出1%進(jin)行連(lian)鎖不平(ping)(ping)衡(heng)（LD）衰減(jian)分析，結果顯示當(dang)兩(liang)個位點間的(de)距離達(da)到(dao)約15kb時，其平(ping)(ping)均(jun)(jun)r2值(zhi)就降到(dao)了(le)0.05以下(xia)（圖(tu)3A）。對(dui)非重疊(die)基(ji)因(yin)間區1 kb窗(chuang)口內(nei)的(de)核苷酸多樣性（π，即每個堿基(ji)對(dui)的(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)兩(liang)兩(liang)差異）進(jin)行計算(suan)，得到(dao)的(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)π為(wei)0.363%（圖(tu)3B）。如以每代每個堿基(ji)對(dui)的(de)突(tu)變率為(wei)4×10e?9為(wei)標準計算(suan)，這(zhe)個多樣性值(zhi)對(dui)應的(de)長期有效種群大小(xiao)（Ne）約為(wei)2.26×10e5。
對(dui)每個(ge)測序(xu)個(ge)體進(jin)行成對(dui)序(xu)列馬可(ke)夫共祖（PSMC）分析，推斷出了這些(xie)珊(shan)(shan)瑚(hu)群(qun)(qun)體在過(guo)去約一百(bai)萬(wan)代內的(de)(de)(de)(de)(de)Ne變化情況。結(jie)果顯示(shi)，與(yu)在其他珊(shan)(shan)瑚(hu)中(zhong)發現的(de)(de)(de)(de)(de)類似(si)(si)，采集的(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)孔(kong)(kong)軸孔(kong)(kong)珊(shan)(shan)瑚(hu)的(de)(de)(de)(de)(de)Ne在過(guo)去的(de)(de)(de)(de)(de)一百(bai)萬(wan)代內均呈穩定下降趨勢，并且這些(xie)珊(shan)(shan)瑚(hu)群(qun)(qun)體的(de)(de)(de)(de)(de)種(zhong)群(qun)(qun)演變軌跡高(gao)(gao)度相似(si)(si)（圖3C），表明這些(xie)多(duo)孔(kong)(kong)軸孔(kong)(kong)珊(shan)(shan)瑚(hu)的(de)(de)(de)(de)(de)祖先群(qun)(qun)體很(hen)可(ke)能具有(you)很(hen)大的(de)(de)(de)(de)(de)種(zhong)群(qun)(qun)大小和群(qun)(qun)體結(jie)構，而相似(si)(si)的(de)(de)(de)(de)(de)種(zhong)群(qun)(qun)動態歷史則(ze)反映(ying)這12個(ge)采樣地的(de)(de)(de)(de)(de)珊(shan)(shan)瑚(hu)礁間可(ke)能存在高(gao)(gao)度的(de)(de)(de)(de)(de)連通性。
5、群體結構分析
圖5 鹿角大珊瑚群(qun)體(ti)結構分析
研究(jiu)者們對這12個(ge)群(qun)(qun)(qun)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)遺傳距(ju)離(li)（FST）進行了計算，結果發現，盡管采樣地(di)間(jian)的(de)(de)環境差別很大，但這些珊(shan)(shan)瑚(hu)樣本(ben)間(jian)的(de)(de)FST幾(ji)乎均接近0，并且其(qi)FST也(ye)與地(di)理(li)距(ju)離(li)無關（圖5A）。PCA分析結果也(ye)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)這12個(ge)群(qun)(qun)(qun)體(ti)(ti)(ti)間(jian)不(bu)存在(zai)明顯(xian)(xian)的(de)(de)群(qun)(qun)(qun)體(ti)(ti)(ti)結構（圖5B）。對這些珊(shan)(shan)瑚(hu)群(qun)(qun)(qun)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)相對有效遷移(yi)率的(de)(de)評估結果也(ye)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)，取樣的(de)(de)珊(shan)(shan)瑚(hu)間(jian)不(bu)存在(zai)明顯(xian)(xian)的(de)(de)基因流障礙（圖5C），證實(shi)了這些群(qun)(qun)(qun)體(ti)(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)遺傳分化(hua)程度確實(shi)很低！
分(fen)析其原因(yin)，這(zhe)種跨越如此大地理(li)范圍的基因(yin)流模式，很可能是鹿角大珊瑚廣泛產卵(luan)的繁殖方式造成(cheng)的。
6、熱休克(ke)共伴侶(lv)蛋白分析
盡管這(zhe)12個群體(ti)(ti)幾乎不存(cun)在遺傳分化，但其分布范(fan)圍內(nei)的(de)(de)(de)環境(jing)條件尤其是(shi)熱(re)狀(zhuang)況(kuang)的(de)(de)(de)差異(yi)卻很(hen)(hen)大(da)。自(zi)然狀(zhuang)態(tai)下，成年珊(shan)瑚個體(ti)(ti)只(zhi)與附近的(de)(de)(de)個體(ti)(ti)繁殖，但珊(shan)瑚幼蟲卻可以擴散(san)到更遠的(de)(de)(de)范(fan)圍，因(yin)(yin)而每一(yi)代幼蟲在不同的(de)(de)(de)珊(shan)瑚礁定居(ju)下來后，都可能受(shou)到很(hen)(hen)強(qiang)的(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)。模型表明，在持續遷移中因(yin)(yin)強(qiang)烈(lie)空間(jian)異(yi)質性受(shou)到的(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)，會使(shi)生物(wu)基因(yin)(yin)組(zu)內(nei)一(yi)些局部有益的(de)(de)(de)等位基因(yin)(yin)被(bei)長期(qi)保留(liu)下來。
為了(le)尋(xun)找鹿角大珊瑚適應性相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)變異，作者們對基(ji)(ji)因組(zu)(zu)中多樣性高(gao)的(de)(de)(de)區(qu)域(yu)(yu)進行掃(sao)描(miao)，因為這些(xie)區(qu)域(yu)(yu)可(ke)能(neng)是長(chang)期平衡(heng)選擇的(de)(de)(de)結果(guo)。經掃(sao)描(miao)，發(fa)現整個(ge)基(ji)(ji)因組(zu)(zu)中多樣性最(zui)高(gao)的(de)(de)(de)區(qu)域(yu)(yu)位于7號染色(se)體上，該(gai)區(qu)域(yu)(yu)包含一個(ge)sacsin的(de)(de)(de)直系同源(yuan)基(ji)(ji)因（圖6A）。單倍(bei)(bei)型頻(pin)率分(fen)析顯示(shi)，該(gai)區(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)(de)h12統計值也很高(gao)，表(biao)明(ming)這個(ge)區(qu)域(yu)(yu)存在(zai)受選擇的(de)(de)(de)單倍(bei)(bei)型（圖6B）。將基(ji)(ji)因組(zu)(zu)每10-kb窗口(kou)的(de)(de)(de)序列進行PCA分(fen)析，發(fa)現與(yu)基(ji)(ji)因組(zu)(zu)其他部(bu)分(fen)相比，該(gai)區(qu)域(yu)(yu)在(zai)PCA結果(guo)中也顯得(de)格外突(tu)出，證實(shi)這種親緣關(guan)(guan)系模式并(bing)不尋(xun)常。所有這些(xie)結果(guo)都(dou)指向一個(ge)異乎(hu)尋(xun)常的(de)(de)(de)系譜(pu)關(guan)(guan)系——即在(zai)進化上，包含sacsin基(ji)(ji)因的(de)(de)(de)兩個(ge)單倍(bei)(bei)型的(de)(de)(de)分(fen)化時間甚至比柔枝軸(zhou)孔珊瑚（A. tenuis）和指形軸(zhou)孔珊瑚（A. digitifera）的(de)(de)(de)分(fen)化還(huan)要早（圖6C）。
圖6 全(quan)基(ji)因(yin)組多(duo)態(tai)性掃描及sacsin基(ji)因(yin)進(jin)化樹分析
Sacsin是(shi)熱休(xiu)克蛋白Hsp70的(de)(de)(de)共伴(ban)侶(lv)，包含多(duo)個與(yu)Hsp90同源的(de)(de)(de)區域。軸孔珊瑚屬（Acropora）和(he)杯型(xing)珊瑚屬（Pocillipora）中多(duo)種珊瑚的(de)(de)(de)sacsin基因(yin)(yin)(yin)(yin)在實(shi)驗室內高溫下均顯著上調表達，表明(ming)該基因(yin)(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)變(bian)異可能(neng)與(yu)自然種群的(de)(de)(de)熱響應有關(guan)。sacsin基因(yin)(yin)(yin)(yin)顯示(shi)的(de)(de)(de)高度多(duo)樣性(xing)表明(ming)該基因(yin)(yin)(yin)(yin)是(shi)平衡(heng)選擇(ze)(ze)的(de)(de)(de)目標，位(wei)于該基因(yin)(yin)(yin)(yin)處(chu)的(de)(de)(de)變(bian)異已經維持了相(xiang)(xiang)(xiang)當(dang)長的(de)(de)(de)時間（數百(bai)萬代），因(yin)(yin)(yin)(yin)此在野外和(he)實(shi)驗室中都具有重要(yao)的(de)(de)(de)功能(neng)。進一步對(dui)sacsin基因(yin)(yin)(yin)(yin)單倍型(xing)頻(pin)率與(yu)環境(jing)因(yin)(yin)(yin)(yin)子的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)分(fen)析顯示(shi)，該單倍型(xing)的(de)(de)(de)頻(pin)率可能(neng)與(yu)共生藻的(de)(de)(de)類型(xing)有關(guan)（P = 0.059），但與(yu)遺傳(chuan)或(huo)環境(jing)主成(cheng)分(fen)之間均無相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)（P > 0.15），不過整體上仍(reng)不清(qing)楚具體是(shi)哪種因(yin)(yin)(yin)(yin)素造成(cheng)sacsin基因(yin)(yin)(yin)(yin)受到強烈的(de)(de)(de)平衡(heng)選擇(ze)(ze)。
7、白(bai)化表型全基因組關聯分(fen)析
用這213個(ge)個(ge)體的(de)(de)基因型數據再(zai)次對(dui)12個(ge)群(qun)體進行群(qun)體遺傳學分析，結果仍顯示這12個(ge)群(qun)體間幾乎(hu)沒有群(qun)體分層、存在高度基因流，并且在scasin基因處(chu)的(de)(de)多態性最高。
圖(tu)7 共生藻組成和白化之(zhi)間(jian)相關性分析
此外，測序(xu)也獲得(de)了共(gong)(gong)(gong)生在(zai)(zai)珊(shan)(shan)瑚體(ti)內共(gong)(gong)(gong)生藻的基因(yin)組(zu)數據。對(dui)每個珊(shan)(shan)瑚樣(yang)本中(zhong)的共(gong)(gong)(gong)生體(ti)種類(lei)(lei)(lei)進行分析，發現珊(shan)(shan)瑚樣(yang)本中(zhong)共(gong)(gong)(gong)生體(ti)reads的豐度隨視(shi)(shi)覺白化得(de)分這一表型(xing)的不同(tong)而存在(zai)(zai)顯著(zhu)差異（圖7A），并且也與(yu)葉綠素總含(han)量(liang)和共(gong)(gong)(gong)生體(ti)細胞密度相(xiang)關。通過計(ji)算比對(dui)到珊(shan)(shan)瑚基因(yin)組(zu)上的reads的相(xiang)對(dui)比例(li)，進一步確定(ding)(ding)了共(gong)(gong)(gong)生體(ti)的組(zu)成(cheng)類(lei)(lei)(lei)型(xing)，發現以Durusdinium為優勢(shi)共(gong)(gong)(gong)生體(ti)的珊(shan)(shan)瑚擁(yong)有(you)更(geng)高的白化視(shi)(shi)覺得(de)分（圖7B），這與(yu)先前研(yan)究發現的，野(ye)外環境中(zhong)以Durusdinium為優勢(shi)共(gong)(gong)(gong)生體(ti)的珊(shan)(shan)瑚通常(chang)具有(you)更(geng)高的耐熱性(xing)（但其生長速度較慢）相(xiang)一致(zhi)。整體(ti)上，這表明(ming)使用低(di)覆蓋度測序(xu)方法可以在(zai)(zai)對(dui)白化進行定(ding)(ding)量(liang)的同(tong)時，確定(ding)(ding)共(gong)(gong)(gong)生體(ti)的相(xiang)對(dui)組(zu)成(cheng)類(lei)(lei)(lei)型(xing)。
圖8 視覺評分表(biao)型(xing)曼哈頓(dun)圖
接下來(lai)，作者(zhe)用線性混合模型(xing)(xing)(xing)（LMM）對3個(ge)白(bai)(bai)化(hua)表型(xing)(xing)(xing)指標與獲得(de)的(de)基(ji)因型(xing)(xing)(xing)數據進行GWAS分(fen)(fen)析(xi)，并將環境(jing)變(bian)異(yi)(yi)主(zhu)成(cheng)分(fen)(fen)的(de)前4維(wei)、遺(yi)傳變(bian)異(yi)(yi)主(zhu)成(cheng)分(fen)(fen)的(de)前兩(liang)維(wei)、批次效應、采樣深度、共(gong)生(sheng)(sheng)體reads中Durusdinium所占的(de)比例作為協變(bian)量加入模型(xing)(xing)(xing)中。三個(ge)測定的(de)白(bai)(bai)化(hua)表型(xing)(xing)(xing)間存在(zai)高(gao)度相關，但因葉綠素含量（n=190）和(he)共(gong)生(sheng)(sheng)體細(xi)胞密度（n=172）的(de)表型(xing)(xing)(xing)有缺失，作者(zhe)們把重點(dian)放在(zai)了(le)視覺(jue)得(de)分(fen)(fen)（n=213）的(de)GWAS結(jie)果(guo)上。結(jie)果(guo)在(zai)基(ji)因組上沒有檢(jian)測到與白(bai)(bai)化(hua)顯著相關的(de)SNP位點(dian)，表明不存在(zai)與白(bai)(bai)化(hua)變(bian)異(yi)(yi)相關的(de)主(zhu)效基(ji)因座(zuo)（圖8）。
8、自(zi)然(ran)珊瑚個體白化響(xiang)應的預(yu)測模型構建
上述GWAS分析結果顯示，鹿(lu)角大(da)珊瑚白化的(de)表型(xing)變異是受多(duo)基(ji)因(yin)控(kong)制的(de)，因(yin)此(ci)難以鑒定致因(yin)位點(dian)，這和桌(zhuo)形軸孔珊瑚耐熱性(xing)研(yan)究(jiu)的(de)結果一致。盡管如(ru)此(ci)，有了(le)(le)對基(ji)因(yin)組上每個(ge)SNP位點(dian)效應的(de)評(ping)估結果，就可以幫助我們預測表型(xing)。因(yin)此(ci)，研(yan)究(jiu)者們用基(ji)于(yu)LD的(de)聚類和GWAS中估計的(de)SNP效應量構建了(le)(le)多(duo)基(ji)因(yin)評(ping)分模型(xing)（PGS，或稱育種(zhong)值）。由于(yu)缺乏除(chu)了(le)(le)所研(yan)究(jiu)樣(yang)本之外的(de)其他(ta)數(shu)據，他(ta)們用Jackknife交(jiao)叉驗(yan)證法評(ping)估了(le)(le)PGS的(de)預測準確(que)性(xing)。
圖9 模型(xing)預測的準確性評估(gu)
為了增(zeng)加模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)預(yu)測(ce)準確性，他們將批次效應(ying)和(he)遺傳效應(ying)主成分(fen)作為協(xie)變(bian)量加入(ru)模(mo)(mo)(mo)型(xing)中。此(ci)外，考慮到(dao)(dao)環境和(he)遺傳因(yin)(yin)素都(dou)有(you)會影響白(bai)化(hua)的(de)(de)變(bian)異(yi)，因(yin)(yin)此(ci)將環境效應(ying)、優勢共生(sheng)體類型(xing)（以測(ce)得(de)的(de)(de)Durusdinium的(de)(de)reads比例表示(shi)）這(zhe)兩(liang)個(ge)(ge)因(yin)(yin)素也加進來。經交(jiao)叉(cha)驗證(zheng)后發現，在上述線性模(mo)(mo)(mo)型(xing)中加入(ru)這(zhe)些預(yu)測(ce)因(yin)(yin)子后，模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)預(yu)測(ce)精度明(ming)顯提高（圖9B）。尤其地，后兩(liang)者的(de)(de)加入(ru)使得(de)模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)準確性得(de)到(dao)(dao)了極大提升。總的(de)(de)來說，這(zhe)個(ge)(ge)模(mo)(mo)(mo)型(xing)對珊瑚樣(yang)(yang)本(ben)視覺白(bai)化(hua)得(de)分(fen)這(zhe)一表型(xing)變(bian)異(yi)的(de)(de)解釋率達到(dao)(dao)了62%左右(you)。不過，進一步講，這(zhe)一模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)準確性還需使用另(ling)一個(ge)(ge)不同的(de)(de)樣(yang)(yang)本(ben)集進行驗證(zheng)，僅僅靠交(jiao)叉(cha)驗證(zheng)還不夠。
在(zai)制定保護策略(lve)時，白化(hua)預(yu)測模(mo)型(xing)(xing)(xing)可(ke)以幫助區分不(bu)同棲息(xi)地(di)(di)(di)(di)中(zhong)更有(you)可(ke)能耐受(shou)的(de)(de)(de)個體(ti)(ti)，為當前的(de)(de)(de)空間保護策略(lve)和(he)對(dui)珊(shan)瑚(hu)礁(jiao)未來的(de)(de)(de)預(yu)測提供(gong)信(xin)息(xi)。使用(yong)上述完整的(de)(de)(de)預(yu)測模(mo)型(xing)(xing)(xing)和(he)交叉驗證程(cheng)序(xu)，預(yu)測得(de)到的(de)(de)(de)表型(xing)(xing)(xing)值(zhi)最(zui)(zui)高(gao)的(de)(de)(de)1/4個體(ti)(ti)的(de)(de)(de)平均視覺得(de)分明顯高(gao)于最(zui)(zui)低1/4的(de)(de)(de)個體(ti)(ti)（圖9C）。該方法(fa)也可(ke)以幫助識別最(zui)(zui)耐受(shou)的(de)(de)(de)個體(ti)(ti)，用(yong)于管理(li)(li)移(yi)種和(he)選(xuan)擇育種，以輔助基于進(jin)化(hua)的(de)(de)(de)保護策略(lve)。在(zai)這點上，多(duo)孔軸孔珊(shan)瑚(hu)在(zai)如此(ci)(ci)大地(di)(di)(di)(di)理(li)(li)距(ju)離上缺乏(fa)種群結構的(de)(de)(de)特點，使其成為一個理(li)(li)想的(de)(de)(de)系統，可(ke)以從多(duo)個地(di)(di)(di)(di)方繁(fan)殖(zhi)具有(you)高(gao)預(yu)測特征值(zhi)的(de)(de)(de)珊(shan)瑚(hu)。此(ci)(ci)外，該模(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)預(yu)測還可(ke)用(yong)來增加這些珊(shan)瑚(hu)在(zai)本地(di)(di)(di)(di)種群中(zhong)的(de)(de)(de)數量，而(er)不(bu)需要通過輔助基因(yin)流來轉移(yi)它們，從而(er)降低基因(yin)滲入風險和(he)倫理(li)(li)問題(ti)。
主要(yao)結論
1、為2017年白化高峰期在澳大利亞大堡礁中(zhong)部(bu)12個(ge)珊瑚(hu)礁那(nei)里收集的237個(ge)樣(yang)本進行了(le)染色體尺度的基因(yin)組組裝，并獲得它(ta)們(men)的全(quan)基因(yin)組序列 ；
2、用規模適中的(de)參考單倍型(xing)panel（reference haplotype panel）可(ke)靠地推(tui)算低覆蓋率測序(xu)數據中的(de)基因型(xing)，從而(er)為未(wei)來(lai)大(da)規模的(de)全基因組測序(xu)工作提供了一種具(ju)有(you)成本效(xiao)益的(de)方法；
3、群體(ti)結構分析表(biao)明在被采樣的(de)珊(shan)瑚礁上檢測到的(de)種群結構非常少，推測可能是由于鹿角(jiao)大珊(shan)瑚的(de)廣播式產卵繁殖模式造(zao)成的(de)；
4、在這(zhe)種(zhong)基(ji)因(yin)組背景下，他們在熱(re)休克輔助(zhu)伴侶蛋白（heat-shock co-chaperone）sabsin中檢測(ce)到異常古老的(de)變異，這(zhe)與作用于(yu)該(gai)基(ji)因(yin)的(de)長期平(ping)衡選擇(ze)是相一致的(de)；
5、他們的基因組測序方(fang)法同時(shi)提供了對白化的定量測量，并確定了珊(shan)瑚宿主(zhu)內存在的共生物種的組成；
6、對白化現象進行了全基因組(zu)關聯分析，沒有(you)找(zhao)到明顯的關聯基因組(zu)，這表明白化反應的變異并不是(shi)由具有(you)較大效應的共同(tong)位點造成的；
7、整合了根據(ju)全基因組(zu)關聯數據(ju)、相對共(gong)生物種組(zu)成(cheng)的基因組(zu)數據(ju)、環境變量估計的遺(yi)傳(chuan)效應的模(mo)型可預測個(ge)體白(bai)化表型。
本文研(yan)究(jiu)(jiu)高溫(wen)和(he)白(bai)化(hua)(hua)的(de)遺(yi)傳(chuan)學對于(yu)(yu)預(yu)(yu)測珊(shan)(shan)(shan)(shan)瑚(hu)適應(ying)氣候變化(hua)(hua)和(he)珊(shan)(shan)(shan)(shan)瑚(hu)礁(jiao)生(sheng)態系統的(de)未來至關(guan)(guan)重要。這些(xie)知識也支持常規的(de)管理方(fang)法和(he)新(xin)的(de)干預(yu)(yu)措施的(de)開發。這項研(yan)究(jiu)(jiu)提供了對白(bai)化(hua)(hua)反應(ying)的(de)遺(yi)傳(chuan)結構(gou)的(de)新(xin)見解，并作為在(zai)保(bao)護工作中使用(yong)基(ji)因(yin)(yin)組(zu)方(fang)法的(de)原則證明(ming)。這些(xie)研(yan)究(jiu)(jiu)人員(yuan)發現，一種(zhong)基(ji)于(yu)(yu)環境因(yin)(yin)素、共(gong)生(sheng)物種(zhong)的(de)基(ji)因(yin)(yin)組(zu)數(shu)據(ju)和(he)珊(shan)(shan)(shan)(shan)瑚(hu)宿(su)主全基(ji)因(yin)(yin)組(zu)關(guan)(guan)聯(lian)數(shu)據(ju)的(de)模型，可以幫助(zhu)區分最(zui)耐受白(bai)化(hua)(hua)的(de)個體(ti)(ti)和(he)最(zui)容易(yi)受白(bai)化(hua)(hua)影響的(de)個體(ti)(ti)。因(yin)(yin)此，這些(xie)結果為從基(ji)因(yin)(yin)組(zu)角度預(yu)(yu)測鹿(lu)角大珊(shan)(shan)(shan)(shan)瑚(hu)和(he)其他(ta)珊(shan)(shan)(shan)(shan)瑚(hu)物種(zhong)的(de)白(bai)化(hua)(hua)反應(ying)奠(dian)定了基(ji)礎。
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文(wen)章索引：
Zachary L. Fuller*, Veronique J. L. Mocellin, Luke A. Morris et al. Population genetics of the coral Acropora millepora: Toward genomic prediction of bleaching. Science 369, 268 (2020)
