景觀遺傳學的基本理論與方法研究進展

王笑梅， 康 昕

(南京大學生命科學學院，江蘇南京 210046)

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景觀遺傳學的基本理論與方法研究進展

王笑梅， 康 昕

(南京大學生命科學學院，江蘇南京 210046)

摘要從基本理論、關鍵問題和研究方法等方面對近年來景觀遺傳學的研究進展進行了綜述，并對景觀遺傳學的研究和應用前景進行了展望，旨在為景觀遺傳學在景觀管理和生物保護工作中的合理運用提供參考。

關鍵詞景觀遺傳學；關鍵問題；研究方法

在全球化背景下，隨著人類對自然景觀改造能力的不斷增強，加速了自然景觀的破碎化和萎縮，物種的生存空間和生存質量受到極大的威脅，從而對生物多樣性產(chǎn)生復雜影響，也引起了學者的廣泛關注。這種背景推動了景觀生態(tài)學和種群遺傳學的交叉，通過分子遺傳標記等新技術的應用將景觀格局與種群遺傳結構、基因流動聯(lián)系起來，從而為評價和解釋景觀格局與過程(如生境破碎化)對遺傳多樣性的影響提供了一條有效途徑，這一途徑及其應用的領域被稱為景觀遺傳學[1-2]。筆者從基本理論、關鍵問題和研究方法等方面對近年來景觀遺傳學的研究進展進行了綜述，并對景觀遺傳學的研究前景進行了展望，以期為景觀遺傳學在景觀管理和生物保護工作中的合理運用提供參考。

1景觀遺傳學的概念

景觀遺傳學是近年來才被定義為一門獨立的研究領域的，是景觀生態(tài)學與遺傳學結合的產(chǎn)物。它的產(chǎn)生得益于分子遺傳學理論與方法的不斷完善和研究工具的改進以及統(tǒng)計學的發(fā)展與計算機技術的結合[3]。

景觀遺傳學的概念最早是由Manel等[4]提出的，這門新興學科融合了景觀生態(tài)學和分子種群遺傳學的方法，目的在于提供關于微進化過程與景觀特性相互作用的信息，如遺傳漂變、基因流和選擇等。一般而言，景觀遺傳學就是要通過對種群遺傳結構和景觀變量之間的關系進行具體量化，從而探究生態(tài)過程對遺傳變異產(chǎn)生的影響。

自景觀遺傳學的概念被首次提出以來，大量研究采用結合地理坐標或景觀特征的方法來評價遺傳變異的空間分布，景觀遺傳學也逐漸被廣泛應用于動植物不同物種研究中[5]。景觀遺傳學的定義不斷被不同的學者重新闡述，不斷地發(fā)展、修正和完善。Storfer等[6]認為景觀遺傳學是一門用來檢測景觀和環(huán)境特性對種群結構、基因流動和遺傳間斷性等方面影響的學科，整合了種群遺傳學、景觀生態(tài)學和空間統(tǒng)計等方面的方法。然而，Holderegger和Wagner[7]則認為景觀遺傳學也包括那些將種群遺傳學中的數(shù)據(jù)(如適應進化和中性選擇數(shù)據(jù)等)，與景觀生態(tài)學中關于景觀格局和景觀構成的數(shù)據(jù)相結合的研究。

2景觀遺傳學與傳統(tǒng)學科

系統(tǒng)地理學和集合種群遺傳學是與景觀遺傳學方法論相似的2個研究領域，通過將景觀遺傳學與其進行比較分析，能夠更深刻地理解景觀遺傳學的特質[1]。系統(tǒng)地理學關注的是地理尺度上種系分化的歷史，主要強調地史過程與系統(tǒng)發(fā)生過程之間的相互作用，如板塊運動和造山過程等，是生物地理學與譜系發(fā)生學的有機結合。景觀遺傳學更側重于景觀尺度上的環(huán)境異質性對人類可觀測時間尺度(或生態(tài)尺度)上微進化過程的影響，包括種群空間遺傳結構和基因流格局2個方面。

集合種群遺傳學的研究對象是一定空間內具有不同種群遺傳學特征的種群，但研究過程中普遍只考慮距離變量，忽視時間尺度的影響，并且一般會將復雜的景觀結構機械地簡化為2類：適宜的生境斑塊與不適宜的基質。同時，集合種群遺傳學模型是以局域種群間的隔離為前提假設的，這不僅使該模型的適用范圍被局限在很小的領域內，而且也造成種群分布的間斷性在實際研究中往往難以預判。景觀遺傳學則對景觀的空間、時間和環(huán)境特征進行綜合、全面分析和考慮，同時強調以個體數(shù)據(jù)為基礎，因此也不需要對種群分布的間斷性進行事先判斷。

3景觀遺傳學領域的關鍵問題

作為一個新興的研究領域，景觀遺傳學來自多個傳統(tǒng)學科之間的交叉互通，有著不同學科的特質，其關注的焦點是景觀生態(tài)過程和景觀空間特征對時間尺度上種群空間遺傳結構和基因流動的影響。

3.1合理量化目前景觀遺傳學方面的研究報道一般都集中于景觀格局對基因流動和遺傳結構影響的合理量化方法。種群遺傳學中常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，己經(jīng)被廣泛應用于量化地被類型、河流距離、歷史上的景觀格局、水流速度、山脊距離、熱量分布和景觀格局等對遺傳變異的影響[7]。Sezen等[8]研究了在哥斯達黎加的叢林中斑塊類型和景觀變化對林下棕擱遺傳結構的影響，結果發(fā)現(xiàn)隨著次生森林中斑塊直徑的增大，林下棕櫚的遺傳多樣性逐漸降低，這種變化趨勢與原生森林相比更為明顯，這種現(xiàn)象說明由于景觀構成和景觀格局的不同，內在尺度也在發(fā)生著變化。

3.2時空尺度時空尺度是在景觀生態(tài)學和空間統(tǒng)計學中展開試驗研究時必須確定的關鍵問題，而在景觀遺傳學領域也同樣重要。在不同的時空尺度下，特定的景觀變量往往會檢測到不同的基因流動格局，遺傳變異也會呈現(xiàn)不同的模式。Ramstad等[9]研究了阿拉斯加紅大馬哈魚種群的遺傳結構，并采用局部Mantel檢驗分析了不同進化和生態(tài)因子對遺傳結構分化的影響，結果發(fā)現(xiàn)潛在的冰川退卻時間與新產(chǎn)卵生境的重新定殖時間以及產(chǎn)卵時間與建立者效應間存在密切關系，時間隔離對種群遺傳結構的形成有顯著影響，同時，對遺傳結構而言，地理距離和產(chǎn)卵生境的差異相對而言并沒有太大影響。Trapnell等[10]研究了1種生存于美國中部的附生蘭花的基因流動，結果發(fā)現(xiàn)這種蘭花的花粉擴散和種子散播對基因流動的相對貢獻存在空間尺度依賴的現(xiàn)象。在較大的空間尺度下，控制基因流的主要因素是風力造成的偶爾種子擴散，在中等空間尺度下主要影響因素為蜂雀行為帶來的花粉擴散，而在最精細的空間尺度下種子重力造成的擴散是影響基因流動的最有力因素。綜上所述，由于存在時空尺度的依賴，在景觀遺傳學領域的研究中也有必要通過采用多尺度的分析方法來確保研究結果的普適性。Galpern等[11]在檢測林地馴鹿生境的景觀連通性時采用了一種以景觀圖為基礎、構建Voronoi圖進行分析的方法，在多空間粒度下進行檢測分析，最終發(fā)現(xiàn)多尺度的分析方法不僅可以揭示單一尺度分析時被忽略的問題，而且能夠降低分析結果對不同阻力參數(shù)的敏，更有利于得出一致的結論。

3.3源-匯動態(tài)為了確認景觀中的廊道位置并制訂科學的指導保護計劃，必須首先了解源-匯動態(tài)和生境品質的變化。通常情況下，匯生境個體中的連鎖不平衡程度比預期更高，這是由于來自不同源生境的遷入。在此基礎上，根據(jù)理論種群模型評價連鎖不平衡程度，就能夠確定匯生境的具體位置[5]。采用景觀遺傳學的相關方法，同樣能夠達到確認廊道實際位置的目的，其原理在于某些能夠促進基因流動的景觀變量往往也會發(fā)揮廊道的功能，因此采用景觀遺傳學中的路徑分析方法便能夠對這些景觀變量進行篩選和確認。例如，Vignieri[12]發(fā)現(xiàn)海拔增幅和河岸森林覆蓋率與太平洋跳鼠種群間的基因流動強相關，該研究正是采用了最低成本路徑分析的方法。

3.4確認基因流動的屏障尋找和確認可能的基因流動“屏障”同樣也是景觀遺傳學研究領域的重要內容之一。很多景觀要素都會對基因流動產(chǎn)生一定程度的影響，常見的可見的景觀要素有水體、公路、山脊等。當這些景觀要素形成不利于物種生存的生境時，比如超過某物種生存耐受臨界的溫度、濕度或化學成分，此時景觀要素便會成為阻礙基因流動的“屏障”[5]。因此，尋找和確認基因流動“屏障”，不僅對于景觀遺傳學十分關鍵，而且對于傳統(tǒng)生態(tài)學、保護生物學、進化學等方面的研究都具有重要的啟示意義。

與傳統(tǒng)種群遺傳學方法相比，景觀遺傳學方法在確認基因流動“屏障”方面也具有獨特的優(yōu)勢，比如景觀遺傳學的空間分析技術能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)研究手段檢測不到的屏障。Coulon 等[13]采用空間Assignment檢驗方法發(fā)現(xiàn)，由于高速公路和河流阻隔，導致狍種群中存在明顯的遺傳結構化現(xiàn)象，而采用傳統(tǒng)的非空間Assignment檢驗時這種遺傳間斷就會被忽略。

3.5檢驗物種特異性生態(tài)假設針對物種生態(tài)特性塑造遺傳變異的具體機制，景觀遺傳學也提供了新的檢測方法，在生物區(qū)的確認、對氣候變化的潛在響應和生態(tài)變量等方面有了新的進展。Sacks等[14]驗證了某種北美小狼的偏誕生地擴散模式，采用了對北加利佛尼亞4個連續(xù)生物區(qū)中的種群遺傳結構進行分析和評價的方法，同時還發(fā)現(xiàn)這種遺傳結構可以用生境生物區(qū)來解釋，而不是傳統(tǒng)的生境障礙理論。

4景觀遺傳學的研究方法

景觀遺傳學研究的基本研究步驟包括以下方面：首先用遺傳標記確定對象種群的遺傳結構，然后用空間統(tǒng)計分析方法將遺傳結構與景觀變量進行耦合分析，進而探討這種遺傳結構的形成原因[15]。

4.1景觀遺傳學中的分子標記景觀遺傳學研究所采用的分子標記與傳統(tǒng)的群體遺傳學相類似，能夠檢驗種群遺傳結構的分子標記均可用于景觀遺傳學研究。根據(jù)不同研究目的選擇合適的分子標記，可以達到更好地解釋環(huán)境因素與物種遺傳變異之間關系的目的[16]。

4.1.1形態(tài)標記。形態(tài)標記(Morphological markers)是指能夠明確顯示其遺傳多態(tài)性的生物特有的外部特征。典型的形態(tài)標記用肉眼即可識別和觀察，具有快速方便、易于識別掌握等優(yōu)點，是景觀遺傳學領域最早被使用和研究的一類遺傳標記。但是，表型性狀所能準確分析的基因位點數(shù)量十分有限，同時由于受到物種基因和環(huán)境的交叉影響，且極易被人為因素所干擾，因此普遍存在形態(tài)特征不穩(wěn)定的缺點。

4.1.2細胞遺傳標記。細胞遺傳標記(Cytological genetic markers)解決了形態(tài)標記中易受外界因素影響的缺點，能夠直接通過染色體數(shù)量和染色體結構的變化來顯示遺傳多態(tài)性。然而，細胞遺傳標記在培養(yǎng)和選擇標記材料的過程中需要大量的人力物力，同時還存在實際操作較難獲取、難以觀察和鑒定等缺點，這些因素阻礙了這種遺傳標記的應用。

4.1.3生化標記。生化標記(Biochemical markers)利用生物的生化特性對作為基因表達直接產(chǎn)物的蛋白質進行分析。蛋白質結構的多樣性在一定程度上反映出DNA組成上的差異和生物體的遺傳多態(tài)性。

4.1.4DNA分子標記。DNA分子標記(DNA markers)采用的是直接反映生物個體或種群間基因組中某種差異特征的DNA片段，能夠直接顯示DNA水平上的遺傳多態(tài)性。DNA分子標記主要分為6類：DNA-DNA雜交標記、PCR技術的DNA標記、基于PCR技術與限制性內切酶酶切技術結合的DNA標記、基于單核苷酸多態(tài)性的DNA標記、以mRNA為基礎的分子標記和線粒體DNA分子標記。

4.2景觀遺傳學分析方法景觀遺傳學研究的分析技術用到很多統(tǒng)計方法，其中最常用的有Assignment檢驗、Mantel檢驗、擴散路線分析和空間自相關分析[17]。

4.2.1Assignment檢驗。與傳統(tǒng)的種群遺傳統(tǒng)計不同，Assignment檢驗不需要事先對種群進行劃分，而是能夠直接進行種群景觀遺傳模式的分析和考察。Coulon 等[13]采用空間Assignment檢驗方法的研究發(fā)現(xiàn)由于高速公路和河流而導致的狍種群的遺傳結構化。同時，Assignment檢驗也可用于確認空間遺傳間斷，如Manni 等[18]采用Voronoi多邊形構建種群間的幾何關系，然后用修正的Monmonier's法則確認遺傳間斷以推斷阻止基因流的屏障。

4.2.2Mantel檢驗。Mantel檢驗和局部Mantel檢驗已經(jīng)被廣泛應用于景觀遺傳學研究中，尤其局部Mantel檢驗被擴展到包含多個景觀遺傳變量的分析中，比如利用局部Mantel檢測因果模型對不同連通性粒度下的景觀阻力隔離假設(IBR)對個體間遺傳距離的影響進行分析[11]。

4.2.3擴散路徑分析。擴散路徑分析是基于預定路徑或沿某個矢量的先驗加權來檢驗路徑選擇與遺傳距離間的相關性，進而推測最可能的基因流路徑，包括可替代的路徑、最低成本路徑和某些網(wǎng)絡分析等。研究表明，與傳統(tǒng)距離隔離估算的直線距離相比，預定路徑和最低成本路徑通常更能解釋基因流的差異[19]。

4.2.4空間自相關。空間自相關分析能夠針對一個位置所觀測到的個體基因型是否由相鄰位置的個體基因型所決定進行檢驗，并且可以幫助確定漸變群格局。然而，空間自相關分析雖然能夠確定空間格局的尺度，但卻無法確定遺傳不連續(xù)性的特殊位置(如河流、山脈等)[20]。

5展望

景觀遺傳學第1次將景觀生態(tài)學、空間統(tǒng)計學、地理學和種群遺傳學等多門學科緊密聯(lián)系起來，從遺傳進化的角度對景觀破碎化對物種和種群基因結構的影響進行研究。它通過對存在于種內和種間的空間遺傳格局進行分析，研究景觀要素和景觀格局等環(huán)境因子對物種遺傳和進化的影響。同時，景觀遺傳學一方面能夠確認潛在的生物廊道，從而制訂合理的生態(tài)恢復計劃等；另一方面還能夠尋找和確認抑制基因流動、降低遺傳多樣性的“屏障”，分析不同的管理保護策略對種群連通性和遺傳結構可能產(chǎn)生的影響，并進行合理、科學的預測。總而言之，景觀遺傳學作為一門新興學科，具有十分廣闊的發(fā)展空間和前景，對于生態(tài)環(huán)境恢復和生態(tài)文明建設有著極其深遠的意義，可為科學、合理、可持續(xù)的景觀管理和生物保護工作提供參考。

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作者簡介王笑梅(1991- )，女，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：景觀生態(tài)學。

收稿日期2016-05-07

中圖分類號TU 983

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-212-03

Research Progress of the Basic Theory and Method of Landscape Genetics

WANG Xiao-mei，KANG Xin

(School of Life Science，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210046)

AbstractThe research advances of Landscape Genetics in recent years were reviewed from aspects of basic theory，key problems and research methods，the research and application prospect of Landscape Genetics was forecasted，so as to provide reference for appropriate application of Landscape Genetics in landscape management and biology protection.

Key wordsLandscape Genetics; Key problems; Research method