一种新的基因组图谱可能有助于拯救濒危大象

成群的长毛象曾经在北半球漫游，从不列颠群岛穿过白令海陆桥，一直到北美东海岸。然后，大约4000年前，最后一头猛犸象死了。

在冰冷的苔原中保存的足够多的遗骸揭示了一个严峻的事实:在一代人的时间尺度上，这些生物突然消失了，而且是灾难性的。究竟是气候变化、人类狩猎还是其他原因导致了猛犸象的灭绝，目前还没有定论，但我们知道，猛犸象的近亲大象，在类似的威胁下，也正经历着类似的数量锐减。

据国际自然保护联盟(IUCN)估计，仅在上个世纪，非洲大草原大象的数量就减少了60%。它们的姐妹物种非洲森林象的数量惊人地减少了86%，现在被列为“极度濒危物种”。

人类有能力阻止这种走向灭绝的崩溃。但要做到这一点，我们需要更多的数据。哥本哈根大学的进化生物学家Patrícia Pečnerová说:“目前，我们拥有的长毛象的基因组数据实际上比现存大象的基因组数据还要多。”“这种情况应该改变。”

Pečnerová写了关于猛犸象古基因组学的博士论文，现在是该大学生物系的玛丽·斯科多夫斯卡-居里行动研究员和国家地理探险家。她与圣地亚哥动物园野生动物联盟(SDZWA)的保护科学家Mrinalini Erkenswick Watsa取得了联系，开始建立合作关系。它的愿景是:创建一个非洲大象基因组多样性的地图集，可以用来为直接接触动物的人和社区制作野外保护工具，从而最有能力帮助它们。

这样的合作关系需要几个参与者:有人收集生物样本，有人对它们进行测序，有人分析数据并开发地图集，还有人在现场部署基于这些数据的工具——参与其中的每个人都必须了解手头的挑战。

眼前的挑战
草原象是世界上最大的陆地动物。它们的体重可达6.5吨，比两辆悍马还重，寿命可达70年。所以它们需要大量的空间来漫游，寻找食物和水，它们年复一年地回到相同的路线。不幸的是，人类通常不知道他们什么时候在这些路线上建造房屋，当野生大象发现他们的迁徙被人类打断时，通常会导致对抗，并给动物带来坏名声。

野生动物兽医Stephen Chege博士为肯尼亚北部的SDZWA保护项目提供管理监督，他认为这是不公平的。他说:“例如，当所有人都聚集在唯一可用的水源附近时，就很有可能发生冲突。”“人们有一种误解，认为野生动物是来制造混乱的。但我们需要改变这种想法。为了野生动物种群和动物个体的健康，我们必须说，它们有权获得所需的东西。我们不应该自私。”

如果生物学家能够根据大象的DNA确定它们的身份，并将它们与大象群以前去过的地方的记录进行比对，就可以揭示它们的迁徙模式，帮助人们决定在哪里定居，并考虑到共存的问题，确保动物们有和平走过的空间。

大象面临的另一个威胁是基因多样性的丧失。象群是母系氏族;雌性留在兽群中，雄性经常离开或被迫离开，直到它们长大到可以交配。当有繁殖能力的雄性可以在种群之间混合时，基因库保持多样性，种群对疾病、害虫、气候变化和其他环境压力保持更强大的防御能力。但目前的实地观察表明，大约70%的雄性大象在达到生育年龄时就会死亡，随着象群彼此之间变得更加孤立，它们交换的个体越来越少，年长的雄性最终主导了繁殖。当这种情况发生时，种群的遗传多样性就会消失，使得每一代都更加脆弱。

通过基因组测序确定每个畜群的密切关系将有助于人们确定哪些畜群应该优先保护，甚至选择单个动物进行迁移。

当然，尽管国际上在1989年就禁止了这一行为，但自那以后，非法偷猎大象的数量只增不减。根据世界自然保护联盟的说法，这是森林大象死亡的主要原因．但对发现的象牙进行法医测序可以帮助当局追踪它们被猎杀的地点，并介入保护它们。

第一步:收集样本
要创建基因组图谱，首先需要收集动物栖息地范围内的大量样本。幸运的是，合作关系不必从头开始。

早在20世纪90年代，尼古拉斯·乔治亚迪斯(Nicholas Georgiadis)还是肯尼亚南尤基(nyuuki)的姆帕拉研究中心(Mpala Research Centre)主任时，他就从非洲各地的大象身上收集了400多个生物样本。在整个20世纪，森林象一直被认为只是热带草原象的一个亚种，但乔吉亚迪斯、阿尔弗雷德·罗卡和其他合作者用这些样本证明了它们在数百万年前就分化成了不同的物种。

罗卡现在是伊利诺伊大学动物科学实验室的教授，他说:“它们就像黑猩猩和人类一样不同，比狮子和老虎的区别更大。”这种区别对保护工作有实际意义:这两个物种适应了不同的栖息地;他们形成了不同的移民模式和社会结构。保护机构决定正式承认非洲象为两个不同的物种，罗卡的研究是这个决定的核心。作为一个单一物种，非洲象在国际自然保护联盟红色名录中仅被视为“易危”而非“濒危”。当对这两个物种分别进行评估时，热带草原象被确定为濒危物种，而森林象则被认定为“极度濒危”，这是一个为灭绝风险最高的物种保留的类别。

罗卡渴望加入合作伙伴关系，并为其贡献这一具有里程碑意义的样品收集。他团队中的研究科学家石田靖子(Yasuko Ishida)将负责从这些藏品中选择不同的种群，并对它们进行几项分析。事实上，这些样本已经有几十年的历史了，但这并不重要——dna仍然可以从中提取、测序和绘制;野外生物学家可以利用这些信息来检查仍然生活在这些种群中的大象。

第二步:对样品进行测序
以前对大象的基因研究只观察了几个选定的标记，比如微卫星——重复多次的DNA短片段，用于追踪家族遗传。这种方法的问题是，不同的实验室研究不同的地点，他们的结果不一定能相互比较。

这么大的一个项目需要对整个基因组进行测序——这就是为什么它欢迎Illumina iConserve合作伙伴的原因，后者的任务是利用基因组学加速环境和野生动物保护。今年，iConserve团队将使用Illumina测序仪对罗卡公司的400个样品进行深度检测，覆盖范围达到40倍。一旦他们创建了基因组序列数据，他们会将其发送到丹麦的Pečnerová，在那里她可以开始绘制。

她说:“研究整个基因组以更好的分辨率提供了更多的信息。”“我们可以回答一些传统标记很难或几乎不可能回答的问题。”

第三步:开发地图集
为了绘制非洲大象的基因组变异图，该合作伙伴关系需要首先读取整个遗传密码，然后将其缩减到提供最多信息的部分。

利用整个遗传密码的力量为研究遗传变异提供了前所未有的解决方案。一个人的DNA来自父母双方的DNA片段。Pečnerová解释说，通过这些，“我们可以从一个人的基因组中重建整个人口的人口历史，其大小随时间的变化。”

她的任务是处理千兆字节的基因组数据，在基因组中进行筛选——每个基因组都超过30亿个“字母”——并确定最有信息的位置。这些被称为单核苷酸多态性，或SNPs(发音为“snips”)，是个体遗传密码中一个字母与大多数其他物种不同的地方。与过去研究人员只研究一两个基因标记不同，整个基因组为他们提供了数百万个基因标记。通过分析来自非洲大陆的400头大象，该团队将确定数百万个snp中哪些是揭示当地模式和个体差异的关键。

有了这些数据，该合作伙伴关系应该能够绘制出大象遗传多样性在栖息地范围内的变化，了解非洲各地不同种群之间的联系或孤立程度，并解释是什么因素导致了这种多样性的丧失。

反过来，自然资源保护主义者可以选择潜在的保护走廊和候选种群进行迁移。利用与地理、物种、性别和个体相关的snp，这些数据可以用来为实地团队创建一种实用的、低成本的基因分型工具。这样的工具可以帮助他们建立已知个体的谱系，评估种群数量和分布情况，并促进获救动物回归野外。

第四步:部署图集
自20世纪90年代以来，现场基因分型技术已经取得了长足的进步，当时Georgiadis不得不使用飞镖活检收集样本，这是一种近距离、破坏性和经常危险的方法(一只防御性的大象曾经打翻了他的车辆)。

现在，可行的样本可以从一种更安全、侵入性更小(如果不那么吸引人的话)的来源——粪便中采集。现代测序仪可以穿透任何其他分子的静态数据——从肠道微生物、消化后的植物等等——只提取大象的DNA。

“技术是保护的关键，”Chege说，但他指出，在热带草原上采集这些样本会带来另一个挑战:DNA在暴露在高温和紫外线下会迅速降解，尤其是在可用的电力有限的情况下。就连液氮也会在你每次打开容器的时候蒸发掉，而生物学家经常要在实地工作几个星期。他们再也不能等着把他们的样本运到海外进行分析了，所以合作伙伴也为此制定了一个计划。

合作伙伴中每个人都提到的首要任务是让实地的环保人士自己做这项工作，即使他们不是遗传学家。Roca一直强调让当地研究人员参与他的工作，但Watsa解释说，从历史上看，科学界的成员经常使用从其他国家进口的样本:“今天我们努力扭转这种情况。我们不会把样品带到实验室;我们会带实验室去检查样本。”在培训、成分和设备方面建立基础设施，意味着那些收集未来样本的人可以参与更广泛的分析并亲自领导研究。

作为概念验证，该团队希望最早在今年为肯尼亚桑布鲁“拯救大象”组织监测的大象种群建立谱系，首先测试一种新的基因分型工具，然后公开发布所有数据和试验结果。“除了免费提供地图集，”Pečnerová说，“我们希望通过与肯尼亚和乌干达的同事合作进行试点，我们将激励和促进这些国家的环保主义者未来的研究。”毕竟，大象是无国界的。

正如Chege所承认的那样，现场工具包对这项工作至关重要，但“许多创新研究是基于发达国家的。我知道这样的东西没有市场;这并不是一种能够快速获得投资回报的东西。但野生动物保护有更大的好处。”

何苦呢?
面对如此令人担忧的人口下降统计数据，人们不禁想知道这些投资是否值得。当一百万场大火熊熊燃烧的时候，为什么这一场值得我们关注?

沃特萨说:“有两种方式来看待这个问题。“一是大象是巨大的生态系统工程师。当你把它们移走，没有人吃它们吃的东西时，生态系统的其他一切——最终，人类——都会改变。因为我们都是相连的。对吗?”她说这话的时候，脸上掠过一丝微笑，好像她接下来的话应该是显而易见的。“但最简单的答案是，我们都有权利生活在这个星球上。”

Chege补充道:“我想和大家分享一个信息。大象是聪明聪明的动物。它们非常聪明，它们和我们一样有情感。他们拥抱他们的孩子，他们为他们的家人哀悼几天。你会发现它们用鼻子和獠牙调查尸体，并把它翻过来。他们一定问了很多问题。“出了什么事?我们能做点什么让你不死吗?’”

灭绝并非不可避免。我们有资源做必要的事情来防止大象灭绝——我们只需要意志力。

Patrícia Pečnerová的项目STAMPEDE:现代和过去大象多样性的时空分析已获得欧盟地平线2020研究和创新计划的资助玛丽Skłodowska-Curie授予协议编号892446。