歷史上的群體大小對于理解種群的進化歷史十分重要，僅用少量樣本的高深度重測序數(shù)據(jù)就能推斷幾千、幾萬、幾百萬年前種群的變化歷史？剛聽到這樣的話你可能不信，但是不用懷疑，這項被稱為種群動態(tài)歷史的分析在2011年時就已經(jīng)實現(xiàn)了，不久后又在原基礎(chǔ)上發(fā)展了在計算上更為省力，且準確度更高的新方法。

種群動態(tài)歷史分析回答了兩個基本問題：隨著時間的變化，有效群體大小是如何變化的？兩個群體是在過去的什么時候分離的？那么種群動態(tài)歷史的基本原理是什么呢？到目前為止都有哪些應用呢？別著急，就讓我們跟著這篇文章慢慢探索吧！

基本原理

由于重組的存在，基因組被打斷成許多小的片段，利用高深度重測序數(shù)據(jù)，我們可以找出這些小片段上的變異位點，進而可以推斷這些小片段之間的最近共祖時間（the time since the most recent common ancestor，TMRCA）（Figure 1）。有的片段之間相似度高，最近共祖時間比較短，有的片段之期差異度比較高，最近共祖時間就比較長。計算基因組各個片段的最近共祖時間，就可以得到最近共祖時間的分布（Figure 2）。而最近共祖時間的分布情況包含群體大小隨著時間的推移變化信息，根據(jù)最近共祖時間分布的比例，可以推算該群體在歷史各個時期有效群體大小。

Figure 1．基因組局部區(qū)域最近共祖時間估算示意圖。

橫坐標表示基因組上的每個位點，縱坐標表示隱馬可夫模型推斷的最近共祖時間（TMRCA）。

結(jié)果示意

種群動態(tài)分析最終獲得Figure 2圖形：Figure 2A展示群體隨著時間推移有效群體大小變化；Figure2B展示兩個群體之間的交叉共祖率，一般我們將交叉共祖率從1下降到0的這段時間內(nèi)中間點對應的時間作為兩個群體的分化時間。

以Yoruba和French兩個人群的種群動態(tài)歷史結(jié)果為例，在約四百萬年前，人類有效群體大小開始下降，到150萬年前時種群大小開始恢復，在大約13萬年前，Yoruba和French分化，后群體大小又開始下降，在約4.5萬年前，分化后的群體有效群體大小達到最小，F(xiàn)rench人群在之后迅速恢復，而Yoruba的群體大小維持在相對穩(wěn)定的水平。

Figure 2．Yoruba和French兩個群體的種群動態(tài)歷史分析結(jié)果示意圖。

（A）種群動態(tài)歷史。橫坐標表示距今X年前，縱坐標表示對應年代時估算的有效群體大小。

（B）交叉共祖率。橫坐標表示距今X年前，縱坐標表示Yoruba和French的交叉共祖率。

數(shù)據(jù)要求

1.高深度的重測序數(shù)據(jù)（20X）

說明：當測序深度達不到20X時也可以進行分析，但是可能會存在假陽性或假陰性。

2.參考序列集（reference panel）、trio家系或大樣本【非必須】

說明：良好的分相（phasing）效果會直接影響分析結(jié)果，參考序列集、trio家系、大樣本都能夠增加分相的效果，但如果以上信息都缺失，難以獲得高質(zhì)量的分相結(jié)果時，也可以進行種群動態(tài)大小的分析，但是結(jié)果分辨率會降低，且無法計算群體間的分化時間。

經(jīng)典應用場景

1、多個物種檢測到在末次盛冰期種群經(jīng)歷瓶頸效應

末次盛冰期（Last Glacial Maximum，LGM）指的是地球最后一次氣候最為寒冷、冰川規(guī)模達到最大的時期，距今約2.65至1.9～2萬年。在這一時期很多物種都經(jīng)歷了較為嚴重的種群數(shù)量下降，目前為止已經(jīng)有多個物種如白鯨（Figure 3）、虎鯨、加拿大紫荊等通過種群動態(tài)大小分析觀察到末次盛冰期時經(jīng)歷瓶頸效應。

Figure3．白鯨種群動態(tài)歷史及相應環(huán)境變化。

上方三個擬合曲線分別表示全球氣候（global climate）、中國南海海平面溫度（sea surface temperature，SST）、全球海平面波動。

2、幫助解析種群急劇衰退的原因

除了氣候變化外，人為因素也是影響種群群體大小變化的重要因素，但是要怎么區(qū)分這種變化是由氣候變化導致的呢？還是人為因素導致的呢？昆明動物所針對綠孔雀的研究顯示，綠孔雀在新時期時代中期（~6000年前）種群急劇衰退，反而是末次盛冰期的時候并未經(jīng)歷嚴重的瓶頸效應，進一步研究發(fā)現(xiàn)，綠孔雀的有效種群數(shù)量與氣候變化沒有顯著關(guān)系，反而是與人類活動強度呈反比，從而得到自史前以來的人類干擾是綠孔雀走向瀕危的主要驅(qū)動因素的重要結(jié)論。此外，更有多種鳥類因人類活動的干擾在近5000到2000年來種群不斷衰退。

Figure 4．綠孔雀種群動態(tài)歷史。

（A）綠孔雀種群動態(tài)歷史，MH代表中全新世（~6000年前）、LGM代表末次冰盛期（~2萬年前），LIG代表末次間冰期（~12萬年前）。

（B）時間尺度上的歷史人類活動強度（人口密度）動態(tài)。

3、多個馴化動物檢測到在馴化過程中經(jīng)歷瓶頸效應

種群動態(tài)歷史在動物馴化分析方向也有非常有效的應用。野生動植物經(jīng)過人工馴養(yǎng)，表型逐漸向人們所需要的方向演化，進而逐漸馴化?？茖W家們常常認為動植物的馴化經(jīng)歷過人為因素的瓶頸效應。通過種群動態(tài)歷史研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)家豬、狗等馴化動物都曾經(jīng)歷較為嚴重的瓶頸效應，昆明動物研究所的王國棟研究員總結(jié)了動物馴化相關(guān)的內(nèi)容，此外，中國農(nóng)業(yè)大學的王靖利用種群動態(tài)歷史研究明確指出家豬馴化過程中所經(jīng)歷的種群衰退可能與人類種群數(shù)量的增加有關(guān)，人類種群數(shù)量快速增加的過程中，家豬的種群數(shù)量逐漸減少（Figure 6）。

Figure 5．中國家豬、野豬和人的種群動態(tài)歷史。

歐易生物在群體測序方向積累了豐富的項目經(jīng)驗

歡迎百度搜索歐易生物——訪問歐易生物官網(wǎng)——了解多組學技術(shù)

原創(chuàng)聲明：本文由歐易生物(OEBIOTECH)學術(shù)團隊報道，本文著作權(quán)歸文章作者所有。歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)及分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載。