10万年前的北极熊基因组揭示了与棕熊的古老杂交

对一只10万年前的北极熊的古代DNA的分析表明，北极熊和棕熊之间的广泛杂交发生在更新世最后一个温暖的间冰期，在所有活着的棕熊的基因组中留下了惊人的北极熊血统。

这项研究由加州大学圣克鲁兹分校的科学家领导，于6月16日发表在《自然生态与进化》杂志上。研究人员从2009年在北极阿拉斯加波弗特海沿岸发现的一只幼年北极熊的头骨中获得了古老的DNA。科学家给这只熊起了个绰号叫“布鲁诺”，尽管DNA分析后来显示它是一只雌性。

“布鲁诺古基因组的可用性使得有可能检测到影响所有现存棕熊的古老混合事件，”第一作者，UCSC古基因组学实验室的博士后科学家Ming-Shan Wang说。

通讯作者，加州大学圣克鲁兹分校生态学和进化生物学教授，霍华德休斯医学研究所的研究员贝丝夏皮罗说，该团队的基因组分析表明，布鲁诺属于北极熊种群，该种群是现存北极熊的祖先。她说，在某个时候，大概在大约125，000年前，导致布鲁诺的北极熊血统和导致所有现存棕熊的棕熊血统交叉路径和杂交。

由于这种古老的混合，北极熊的祖先占今天生活在棕熊基因组中的10%。“如果没有布鲁诺的基因组，我们永远不会看到这种情况，因为所有活着的棕熊都有这种混合物作为其基因组的一部分，”夏皮罗说。

虽然北极熊和棕熊是不同的物种，在外观，行为和栖息地方面存在显着差异，但它们密切相关，当它们的范围重叠时可以很容易地杂交。近年来，随着气候变暖和海冰的消失，杂交种的报道有所增加，迫使北极熊进入北极沿海地区，而棕熊则向北扩展了它们的范围。

以前对古代DNA的研究表明，在大约15，000至25，000年前，在某些棕熊种群中至少发生了四次混合。在所有情况下，基因流动的方向都是从北极熊到棕熊。

“混合个体，如果他们幸存下来，这样做就像棕熊一样，也许是因为它们如果不是完全白色，就很难在海冰上成功狩猎，”夏皮罗解释说。“北极熊一直是一个数量不多、遗传多样性不多的种群。

这项新研究确实发现了一些证据表明，棕熊可能进入布鲁诺的血统，但今天北极熊缺乏混合体，这支持了棕熊血统降低熊作为北极熊的生活适应性的观点。在大约50万年前与棕熊分化后，北极熊进化成北极海冰上高度专业化的海洋哺乳动物猎人。相比之下，棕熊是北美，欧洲和亚洲的广泛通才。

布鲁诺生活在一个温暖的间冰期的高峰期之后，气候变化的时期，当时温度和海平面比现在高得多。由于化石燃料燃烧和其他人类活动所驱动的快速气候变化，预计未来也会出现类似的情况。随着北极海冰的减少，许多北极熊种群已经在为生存而挣扎。

“如果我们今天记录的北极的快速，不自然和严重的人为引起的变暖继续有增无减，那么不确定北极熊是否会有海冰栖息地回归并在基因上生存，”合着者Ian Stirling说，他是加拿大环境与气候变化部的北极熊生物学家和研究科学家。

根据夏皮罗的说法，“随着气候变化和这些物种的重叠，我们不应该惊讶地看到今天再次发生混合物，并在野外再次相遇。气候变化允许基因流动发生在我们认为的不同物种之间。

过去将北极熊和棕熊聚集在一起的气候变化包括海冰更为广泛的冰川时期，使北极熊能够与阿拉斯加东南部，千岛群岛甚至爱尔兰的棕熊混合。这些地区的棕熊(现已在爱尔兰灭绝)在布鲁诺基因组揭示的古代混合物之上获得了额外的北极熊基因。

至于棕熊可能从北极熊祖先那里得到了什么，科学家们只能推测。“棕熊有可能从北极熊那里得到了一些很酷的东西，但我们不能在这一点上肯定地说，”夏皮罗说。

发现布鲁诺的头骨是偶然的。2009年，阿拉斯加大学费尔班克斯分校的合著者Pamela Groves，Daniel Mann和Michael Kunz在波弗特海海岸线上行走，调查最近的海岸侵蚀，当时他们偶然发现头骨正好在高潮线上方。

“我们甚至没有寻找骨头，因为通常我们在内陆一百英里处发现古代骨头，它们被储存在沉睡的河流沿岸的永久冻土中，”格罗夫斯说。由于北极熊一生中大部分时间都在海上度过，因此发现任何北极熊的遗骸都是非常不寻常的。布鲁诺是有史以来唯一有记录的古代北极熊头骨，也是北美唯一已知的古代北极熊骨骼。

“了解过去的气候变化如何推动生物体之间的相互作用对于预测当前变化将如何产生新的混合物，增加疾病传播或影响自然资源或社会至关重要，”资助该研究的美国国家科学基金会项目主任Leslie Rissler说。

其他合著者包括剑桥大学的Gemma Murray;Alisa Vershinina，Megan Supple，Joshua Kapp，Russell Corbett-Detig，Sarah Crump和Richard Green在加州大学圣克鲁兹分校;克里斯汀·莱德在华盛顿大学西雅图分校;和斯德哥尔摩瑞典自然历史博物馆的Love Dalén。

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