Estimation of population allele frequencies from next‐generation sequencing data: pool‐versus individual‐based genotyping

Molecular markers produced by next‐generation sequencing (NGS) technologies are revolutionizing genetic research. However, the costs of analysing large numbers of individual genomes remain prohibitive for most population genetics studies. Here, we present results based on mathematical derivations showing that, under many realistic experimental designs, NGS of DNA pools from diploid individuals allows to estimate the allele frequencies at single nucleotide polymorphisms (SNPs) with at least the same accuracy as individual‐based analyses, for considerably lower library construction and sequencing efforts. These findings remain true when taking into account the possibility of substantially unequal contributions of each individual to the final pool of sequence reads. We propose the intuitive notion of effective pool size to account for unequal pooling and derive a Bayesian hierarchical model to estimate this parameter directly from the data. We provide a user‐friendly application assessing the accuracy of allele frequency estimation from both pool‐ and individual‐based NGS population data under various sampling, sequencing depth and experimental error designs. We illustrate our findings with theoretical examples and real data sets corresponding to SNP loci obtained using restriction site–associated DNA (RAD) sequencing in pool‐ and individual‐based experiments carried out on the same population of the pine processionary moth (Thaumetopoea pityocampa). NGS of DNA pools might not be optimal for all types of studies but provides a cost‐effective approach for estimating allele frequencies for very large numbers of SNPs. It thus allows comparison of genome‐wide patterns of genetic variation for large numbers of individuals in multiple populations.     

基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究

植被的分布及动态变化在一定程度上反映了动物栖息地的分布与变化。基于植被遥感影像数据及GIS空间分析,对阿尔金山国家级自然保护区植被景观的变化进行分析,同时通过植被类型要素识别出适宜藏羚羊生存的主要区域,对其植被覆盖度的时空变化进行分析。结果表明:保护区的植被覆盖度处于较低水平,低覆盖度植被区域占总植被覆盖区的50%左右,且植被覆盖度高的区域均集中在卡尔墩检查站的东南部。植被覆盖度在2000年、2005年、2010年间的增长趋势表明保护区植被对于动物的承载能力不断增大,植被的分布表明藏羚羊的活动区域植被覆盖度较高,而产羔区域的植被覆盖度较低且海拔较高。对藏羚羊取食植被针茅草原植被覆盖度的变化分析表明,针茅草原植被覆盖度随时间而有所提高,藏羚羊栖息地的面积可能有所增大,覆盖度分布的变化表明藏羚羊栖息地有向保护区西南方向扩散的趋势。对植被覆盖度与海拔关系的分析表明,高海拔区域植被覆盖度较低,中度海拔区域植被覆盖度较高,但是两者并不存在显著地相关性。     

基于异速生长理论的准噶尔盆地荒漠灌丛形态研究

为了揭示荒漠灌丛形态的发生发展机制并认识其在荒漠生态系统中的功能, 从形态和结构决定功能的原理出发, 对生长在准噶尔荒漠东南部的岛状灌丛进行了形态学调查。依据Malthusian方程微分形式, 根据异速生长理论, 建立了冠幅与株高生长、灌丛表面积与体积生长的数学关系式, 利用植被调查数据进行了验证, 并最终得出不同灌丛在不同株高时的情景示意图。结果表明: 1)将荒漠灌丛形态假设成半三轴椭球体是合理的; 2)虽然灌丛形态发展趋势可以是扁平、近半球和竖直3种类型, 但是形态建成后, 一般维持在扁平和近半球两种类型; 3) 18类荒漠灌丛的体积和表面积的数量关系具有一定的一致性, 可能与同处于相同环境条件下的水分利用效率相近有关。     

退化中的长白山西坡灌木苔原优势种分布差异

长白山苔原带植被正在发生显著变化,灌木苔原中灌木植物分布范围萎缩,重要值下降。通过样方调查数据,分析灌木苔原中优势种的变化,灌木分布格局和灌木群落结构特征沿海拔的差异,旨在揭示长白山灌木苔原退化的区域差异,为明确其退化机理提供基础数据。研究表明:(1)长白山西坡灌木苔原退化严重,多种草本植物已经侵入,并成为优势种。目前7个优势种中灌木仅占2席,草本植物占据5席,与1979年的样方调查结果相比灌木优势种的数量和地位都明显下降。7个优势种均为聚集分布,各优势种分布呈现斑块化、分离化,统一的灌木苔原面临解体;大部分灌木苔原群落中,出现了草本层,苔原带下部灌木苔原中草本层高于灌木层,物种组成和群落形态接近草木苔原。(2)灌木在各海拔均仍有广泛分布,但其空间分布格局明显不同。在海拔2300m以下,灌木的分布产生较强的聚集现象,特别是在海拔2100m以下这种聚集分布现象更为突出;在海拔2300m以上灌木的聚集程度较弱。(3)长白山西坡灌木苔原退化的区域分异明显,在海拔2100m以下灌木苔原退化严重,成为草-灌苔原;在海拔2100—2300m之间,灌木苔原退化较严重,成为灌-草苔原;在海拔2300m以上,退化较轻,仍为灌木苔原。由此推断,长白山西坡灌木苔原的退化机理应包括两个方面:草本植物入侵,种间竞争导致灌木退化,以及环境变化导致灌木退化,二者皆可能是全球气候变化的结果。     

沙坡头人工植被变化的动态平衡

沙坡头地处腾格里沙漠的东南缘,属于宁夏回族自治区中卫县。该地区自然条件严酷,沙丘起伏大,沙层深厚,格状沙丘由西北向东南倾斜且呈阶梯状分布。地下水位深达几十甚至10Om以上,有机质、碳酸钙和速效性养分含量都很低,pH值7.14一7.60。     

Complex foraging ecology of the red harvester ant and its effect on the soil seed bank

Granivory is an important interaction in the arid and semi-arid zones of the world, since seeds form an abundant and nutritious resource in these areas. While species of the genus Pogonomyrmex have been studied in detail as seed predators, their impact on seed abundance in the soil has not yet been explored in sufficient depth. We studied the impact of the harvesting activities of the ant Pogonomyrmex barbatus on seed abundance in the soil of the Zapotitlán valley, Mexico. We found that P. barbatus activity significantly impacts the abundance of seeds in the soil, which is lower in the sites where P. barbatus forages than it is in sites with no recorded foraging. We also found that P. barbatus distributes intact seeds of three tree species, two of which are nurse plants, and could consequently be promoting the establishment of these species. Using tools derived from graph theory, we observed that the ant-seed interactions exhibit a nested pattern; where more depredated seed species seem to be the more spatially abundant in the environment. This study illustrates the complex foraging ecology of the harvester ant P. barbatus and elucidates its effect on the soil seed bank in a semi-arid environment.     

新疆阿尔泰红山嘴地区的表土孢粉与现代植被

在新疆阿尔泰山中段的红山嘴地区选取一条沿海拔745-2 413 m的不同植被带群落样方进行调查, 对应采集37个表土样品进行孢粉统计和排序分析, 初步探究了红山嘴地区的植被与表土孢粉之间的对应关系, 并将之与新疆阿尔泰西部的喀纳斯西坡孢粉垂直带进行对比。结果表明, 红山嘴地区表土孢粉谱依照海拔高度自上而下划分为4个孢粉组合类型, 分别对应亚高山草甸、山地森林、灌丛草原和荒漠草原。乔木植物中云杉属(Picea)和松属(Pinus)花粉, 灌木植物中麻黄属(Ephedra)及草本植物中的苋科和蒿属(Artemisia)因受到自然风力、水流及人为活动的影响, 表现出明显的超代表性; 乔木植物中的落叶松属(Larix)花粉, 草本植物中的禾本科及莎草科花粉, 却在其自身为优势种的群落中呈现低代表性; 蒿属与苋科花粉百分含量的比值(Ar/Am)能较好地反映该区气候垂直带的干湿状况, 灌丛草原带的Ar/Am低, 在一定程度上反映了人类活动对草原灌丛化的影响。与新疆阿尔泰西部的喀纳斯西坡孢粉垂直带相比, 红山嘴垂直带的孢粉类型偏少, 同时相似的孢粉带在该区的分布高度比喀纳斯西坡高。此外, 排序分析(RDA)结果表明, 年降水量是影响该区表土孢粉组合的主要环境因子。     

封育年限对毛竹林群落结构和林下植物多样性的影响

为探讨自然封育对毛竹林群落结构和林下植物多样性的影响,采用空间代替时间的方法,以浙江省杭州市余杭区常规经营(0年)和不同封育年限(10,20,30年)的毛竹林为对象,对毛竹林分结构和林下植物多样性进行了全面研究。结果表明:随着封育年限的延长,竹林密度增大,胸径变小;封育毛竹林中2度以上活立竹的密度显著高于常规经营(P<0.05),枯立竹的密度随着封育年限的延长而显著增加(P<0.05);封育20年后的2度以上活立竹和枯立竹的胸径显著减小(P<0.05)。封育0,10,20,30年的毛竹林下灌木种类分别为68,35,58,77种,而草本植物种类则分别为64,23,31,44种。封育10年的林下灌木的Simpson指数显著低于其他林分(P<0.05),封育20年后的Shannon-Wiener指数显著高于前期年份(P<0.05),封育显著提高了Pielou指数(P<0.05);封育显著降低了草本植物的Simpson指数(P<0.05),常规经营林下草本多样性指数Shannon-Wiener显著高于封育20年后的林分(P<0.05),封育10年...     

砒砂岩黄土区植被盖度对土壤侵蚀的影响

十大孔兑砒砂岩区为鄂尔多斯北部水土流失最为严重的地区之一,土壤侵蚀发生、发展极大影响了区域水、土资源开发利用。应用通用土壤侵蚀模型(Universal Soil Loss Equation, USLE)计算了区域土壤侵蚀模数,采用整体回归拟合和分段回归拟合的方法对研究区植被盖度和土壤侵蚀模数的关系进行了分析并识别土壤侵蚀模数阈值和对应植被盖度。结果表明:2000—2017年十大孔兑砒砂岩黄土区土壤侵蚀模数在时间尺度上呈现复杂的变化趋势,多年土壤侵蚀模数平均值为29.31 t hm^-2 a^-1;最大和最小值分别为65.6 t hm^-2 a^-1和10.95 t hm^-2 a^-1。从总体来看,土壤侵蚀模数随着植被盖度增加呈极显著抛物线型变化趋势(P<0.001);在坡度级别分别为<5°、5—10°和>10°时,土壤侵蚀模数阈值(18.18 t hm^-2 a^-1、34.29 t hm^-2     

内蒙古荒漠草原防风固沙服务变化及其驱动力

荒漠化是内蒙古荒漠草原面临的最严重的生态环境问题之一,而风蚀则是造成土地退化的主要因素。采用修正风蚀方程（Revised wind erosion equation,RWEQ）定量评估了内蒙古荒漠草原2000和2017年的固沙量,并结合土地利用、降水、风速、植被覆盖度数据分析了该区域防风固沙服务的影响因素。结果表明：内蒙古荒漠草原的防风固沙服务表现出明显的空间异质性,不同土地利用类型提供的防风固沙服务有所差异,其中高覆盖度草地的固沙量相对较高。总体来说,2000年固沙量与降水、风速、植被覆盖度均为正相关,2017年固沙量与降水为负相关,与风速和植被覆盖度为正相关。2000-2017年内蒙古荒漠草原固沙物质总量增幅为53.95%,其中9.65%来源于土地利用变化区域,土地利用方式发生变化的面积占研究区总面积的5.6%。2000-2017年土地利用变化以林地的恢复、建设用地的扩张以及不同覆盖度间草地的转换为主。2000-2017年,风力因子的分布模式对防风固沙服务的空间分布变化的影响较大。总的来说,土地利用变化对内蒙古荒漠草原的防风固沙服务有一定的增强作用,防风固沙服务的空间分布在时间上的变化主要受气候因子的影响。