重大环境变化对大熊猫种群动态和遗传变异的影响及其机制

Population dynamics is the core of population ecology, and environmental changes are important factors affecting species' population dynamics. The giant panda (Ailuropoda melanoleuca) is a rare species surviving through the Quaternary ice age. With the occurrence of human being and the increasing human activities, the panda habitat had changed rapidly and currently it is facing the threats of anthropogenic habitat loss and fragmentation. Moreover, massive bamboo die-off aggravated the threats of habitat loss and fragmentation. However, it is unknown how environmental changes affected the population dynamics and genetic evolutionary potential of the giant panda, which is a research focus of conservation biology. In this study, we focus on three kinds of key environmental changes which the giant panda experienced during its long evolutionary history, i.e. rapid climate change during the Quaternary ice age, anthropogenic habitat loss and fragmentation and massive bamboo flowering and die-off, and study their effects on the population dynamics and genetic variations. We aim to reveal the roles of historical climate changes, recent human activities and massive bamboo die-off in shaping population fluctuations and genetic diversity. These findings will facilitate science-based conservation decisions and have important implications for habitat restoration, corridor construction and reintroduction of this high-profile species.

种群动态是种群生态学的核心问题，而环境变化是影响种群动态的重要外界因素。大熊猫在其长达八百万年的进化历史过程中，承受了第四纪冰川的剧烈气候波动而幸存至今；伴随着人类的出现及逐渐加剧的人类活动，其栖息环境发生了重大的改变，目前其种群正面临着人为导致的栖息地丧失和破碎化的生存压力。而周期性的大规模竹子开花则进一步加重了这一不利处境。外界环境变化如何影响大熊猫种群动态和遗传变异一直是保护生物学的研究热点。本项目将研究大熊猫长期进化过程中经历的重大环境变化（即第四纪冰川的剧烈气候变化、栖息地丧失和破碎化与大规模的竹子开花）对大熊猫种群动态和遗传变异的影响，以期揭示历史气候变化和近期人类活动这两大外在压力以及竹子资源（食物）的周期性变化在大熊猫种群数量波动过程中的作用和对遗传进化潜力的影响，探讨大熊猫的兴衰历史与成因。研究结果以期科学指导大熊猫栖息地的恢复、廊道建设与大熊猫放归等保护实践。

本研究应用基于基因组全序列的种群基因组学方法和比较生态学的研究思路，系统研究了第四纪剧烈气候变化、大规模的竹子开花枯死及盗猎捕捉、栖息地丧失与破碎化对大熊猫种群动态与遗传变异的影响及其机制，揭示了在大熊猫长期的进化历史进程中，历史气候变化和近期人类活动这两大外在压力及竹子资源（食物）的周期性变化在大熊猫的种群数量波动过程中发挥的作用及对大熊猫遗传进化潜力的影响，探讨了大熊猫的兴衰历史与成因。通过对大熊猫全基因组的PSMC分析和34只野生大熊猫个体的高通量重测序分析发现，现生大熊猫可分为三个遗传种群（秦岭、岷山和邛崃-相岭-凉山种群）；大熊猫种群历史表现为两次显著的扩张和收缩，而现存的三个遗传种群则是由两次种群分化而得以形成。大熊猫种群的两次扩张和两次收缩与古气候动荡密切相关，近三千年以来的人类活动则是导致大熊猫近期种群变化的主要因素。我们以1988年“野生动物保护法”颁布实施和1988年最后一次竹子开花为时间节点，比较分析了1988年前后大熊猫历史种群（443个体）和现生种群（426个体）线粒体DNA和微卫星变异，发现大规模竹子开花枯死及盗猎捕捉导致的大熊猫种群数量下降并未显著影响其遗传多样性和有效种群大小，现生大熊猫种群仍维持较高的遗传多样性，大熊猫对历史上的生态和人为事件产生的威胁有较高的耐受力。我们对栖息地连续分布区域——陕西佛坪自然保护区佩戴GPS颈圈的野生大熊猫进行跟踪监测，研究了其活动规律、巢域范围、觅食策略、遗传多样性及近交水平和近交避免机制；对栖息地破碎化区域——四川栗子坪自然保护区佩戴GPS颈圈的3只放归大熊猫进行监测，研究了其活动规律、巢域范围、遗传多样性等，并与野生大熊猫进行了比较分析。通过上述研究，阐明了重大环境变化等因素与大熊猫种群动态和遗传变异变化的关系，并提出了科学合理的保护管理对策。项目共发表SCI论文11篇和中文论文1篇，主要成果发表在Nature Genetics, Ecology, Science, Molecular Ecology, Functional Ecology等权威期刊上。