文献题目：Geneflow, ancient polymorphism, and ecological adaptation shape the genomic landscape of divergence among Darwin’s finches
作者：Han et al.
发表期刊和年份：Genome Research, 2017.
如题目所言，本文利用了达尔文雀这一独特的进化体系，探究了基因组上高分化岛屿的成因，相关因素包括基因流、祖先多态和生态适应性。
一、研究背景
相近物种之间基因组上存在着局部的分化高峰，早期认为这些分化高峰是物种形成岛屿，其代表了物种早期对基因流存在抵抗的区域，和早期的生殖隔离有关。
最近研究发现有很多过程可以造成基因组上的这种模式。
在衡量基因组分化水平时，不同的统计指标对于其解释有重要影响。比如 FST 受种内变异影响较大，在多样性较低的区域也会产生 FST 较高的区域，而 dXY 则是衡量绝对分化的指标，受遗传变异局部降低的影响较小。
1）在存在基因流的物种形成模型中，基因组岛屿会抵抗基因流，并由于分化搭便车而扩大，在这种区域的绝对和相对分化指标都会升高。
2）但即使没有基因流存在，祖先多态也可以产生类似的基因组模式，如果两个物种的祖先群体在某个位点存在 2 个高度分化的单倍型，那么该区域可能由于谱系分选产生分化岛屿，并且这些区域可能参与衍生群体之间基因流障碍的建立。
3）在没有基因流存在的异域物种形成中，隔离的物种逐渐适应当地环境，并由于选择或者遗传漂变而建立起生殖隔离。由于不存在基因流，也不存在抵抗基因流区域的基因组岛屿一说，这种情况下分化的基因组岛屿可能由额外的过程产生，比如 selective sweep，其产生的基因组岛屿一般包含和适应性有关的位点，但 selective sweep 本质上是将种内变异固定下来，所以不会造成绝对分化升高，除非选择会造成这些区域基因流的降低。
4）和基因组内在式样有关的过程也可能产生类似的基因组岛屿。持续的背景选择和经常发生的 selective sweeps 会造成遗传变异的局部降低，尤其是在低重组区域。这也导致了遗传变异和重组率的正相关，并且造成基因组分化上异质性景观。该过程可能造成基因组上 FST 升高，但 dXY 不会，并且预计是降低的，因为选择减少了祖先群体内的遗传变异，从而缩短了两个后代群体到最近共同祖先的时间。
选择的影响是减少连锁的遗传变异，其会影响相对分化度量，而非绝对分化度量。不过这些模型不是相互排斥的，多种力量可能共同作用在基因组中产生特定的模式。
达尔文雀适应性辐射进化的典型案例。前期研究表明，18 个达尔文雀由一个共同的祖先进化而来。在 150 万年前其祖先定殖到加拉帕戈斯，适应了不同的生态环境，喙的形态和食性页产生了多样化。
近期对达尔文雀基因组进化的研究鉴定到了含 ALX1 和 HMGA2 基因的高分化区，和喙的形状和大小有关，但基因组分化式样尚未得到全面的研究。
二、研究方法和特色
作者利用已发表的 12 对达尔文雀及外类群种对的重测序数据，分析了基因组分化式样。
充分利用已发现的两个和喙形态有关的位点进行讨论。
三、主要结果和重要发现
早先作者团队分别在 2015 和 2016 年发表了一篇 Nature 和 Science，使用这 18 个物种的基因组重测序信息研究了物种和喙的进化。
本文作者基于自己的研究目的，选择了加拉帕戈斯 6 个岛屿，以及可可岛上的一个物种。以巴巴多斯上的两个鸟为外类群。
这样将上述物种组成不同的种对类型：1）来自加帕勒戈斯两个岛屿上的 4 个同域分布种对，2）来自加帕勒戈斯五个岛屿上的 5 个异域分布种对，3）加帕勒戈斯岛和可可岛之间组成的 3 个异域种对。此外，还将达尔文雀和外类群进行了两次成对比较。
3.1 基因组分化岛屿的数量和大小和基因组分化水平相关
作者利用 50-kb 无重叠的窗口计算了多样性 π，Tajima' D，固定的差异数目 df，dXY，和FST。每个种对的 FST 值做了 Z 转换，ZFST ≥ 4 则作为 outlier windows，相邻的 outlier windows 合并为单个基因组岛屿。
结果发现，基因岛屿数目和物种平均分化呈显著负相关。分化程度越高的种对之间，基因组岛屿的数目和平均大小较少，可能是由于基因组岛屿会被基因组中不断增加的差异所掩盖。
检验同域和异域种对之间基因组岛屿的数目和大小差异，发现同异域之间基因组岛屿的数目无显著差异，且同异域种对基因组的 FST 无显著差异。
此外，作者比较了基因组岛屿和背景之间其它参数的差异。
核苷酸多态性在基因组岛屿降低，Tajiama' D 至少在种对的一个物种内显著降低（除了其中一对），固定的差异 df 在基因组岛屿中总体升高（除了其中两对）。
作者进一步比较了两两之间差异的基因组式样是如何在种对之间共享的。
比较的组有：1）ground vs. ground 和 tree vs. tree 之间；2）两对 ground vs. tree 之间；3）亲缘关系较远的种对之间。
其中，只有第一组可以比较独立种对中的岛屿，而第二组和第三组中包含着共享谱系。
结果发现，不同成对比较之间共享的基因组岛屿较少，表明其成因不太可能仅由基因组特性引起，比如低重组率，该指标在独立的种对中应该是保守的。
此外，作者发现如果比较的两个组内都有着不同的喙单倍型，那么在 ALX1 和 HMGA2 位点有一定比例的共享窗口。这些位点在多次比较中出现，和这些位点之间的高度分化一致，表明它们可能在达尔文雀进化的早期阶段由于多态而建立。
3.2 基因组岛屿的绝对分化水平升高
作者使用 dXY 比较了基因组岛屿和背景的绝对分化水平。
如果近期基因流是常见的，那我们可以在同域分布种对的基因组岛屿中观察到更高的 dXY，因为它们比异域物种有更多的机会交换基因。
本文在同域物种对的基因组岛屿中发现 dXY 显著升高，但在异域种对的比较中，基因组岛屿中的 dXY 同样显著升高，除了一个种对中（G. magnirostris_G vs. G. magnirostris_M）。
结果表明，基因组岛屿的单倍型可能在基因组其它区域之前就已经存在隔离了。此外，在同域和异域种对中观察到了相似模式，表明早期物种之间的基因流并不是基因组岛屿形成的主要因素。因此，可能在物种分化之前，这些地区的不同单倍型就已经存在于祖先群体中了。
作者分析了达尔文雀和外类群之间的分化，二者间共享的遗传变异很少。作者比较了基因组岛屿的 dXY 水平，未发现升高，表明达尔文雀中升高的 dXY 不是由于替代率升高造成的。
3.3 不同喙形态的物种中，和喙有关基因位点 dXY 的升高反映了自然选择在达尔文雀祖先种群中的作用
喙型是达尔文雀最为多样化的特征之一，被认为是生态适应性的表现。
前期研究鉴定到了 2 个和喙型有关的基因 ALX1 和 HMGA2。为评价这些位点对基因组分化岛屿的贡献，本文计算了这些位点相对于基因组其它区域分化的相对和绝对度量。
ALX1 在具有不同单倍型的种对中，ZFST 显著高于背景区域，但在具有相同单倍型的种对中则不然，HMGA2 同样如此。
此外，这 2 个基因每个单倍型中都具有相当的序列多样性，达尔文雀在喙形态上具有很大的变异，因此 ALX1 和 HMGA2 很可能存在额外变异，可以将其单倍型细分为 2 个以上的功能等位基因类型。
在所有同域和异域种对中，当种对包含这两个基因不同的单倍型时，相应基因的 dXY 均显著升高。而在种对群体包含该基因相同单倍型时，分化通常不显著，反映了这些位点上群体间的高度分化，和其相对古老的起源相一致。
因此，当携带不同单倍型的物种处于古老的分叉位点时，基因组区域就表现为具有较高绝对分化的基因组岛屿。
但是，有两个种对表现出了不同模式。它们在这两个位点是相同单倍型，但 dXY 显著低于基因组平均水平。可能是某种单倍型对喙形态的影响增加了适合度，造成了种群分化后适应性等位基因渐渗。
同时，这也反映了最近对这些位点的选择 sweep，减少了这些位点的单倍型多样性。
3.4 基因组岛屿区域的重组率会降低
为了进一步探索基因组分化岛屿的形成机制，我们探究了基因组岛屿是否更倾向于落在重组率降低的区域。
如果基因组岛屿是由于经常发生的选择 sweeps 或背景选择造成的，是有望看到这种关联的，因为这种选择会倾向于减少遗传变异，从而提高低重组区域的 FST。
最近的研究表明鸟类中重组率式样是相对保守的，作者利用了一种 zebra finch 中的遗传图谱进行检测，发现在所有种对中，基因组岛屿的平均相对重组率都显著低于背景。
4. 研究不足和提出的问题
优点：
一个吸引人且重要的科学问题，即基因组岛屿或者说基因组异质性的形成原因。
充分利用已发表的数据，这套数据在接连两年的时间里发了一篇 Nature 和一篇 Science，即使如此，作者还能从中挖掘新的科学问题，而且前期的相关结果也作为本研究的重要证据。
同时充分利用其它已发表的数据为本研究服务，比如重组率的分析，使用了一个其它物种的遗传图谱，前提是说明了鸟类中重组率式样的保守。
背景总结到位，总结了四种常见的基因组异质性模式。
缺点：
多种因素在达尔文雀基因组分化岛屿的形成中发挥作用，但几种因素的相对重要并不清楚，几种因素交织在一起，如果结合其它指标，不知道是否能更深入地阐释这种式样。
个人所见，欢迎批评交流！
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