北京動物園圈養平原斑馬種群統計學與遺傳學分析

由玉巖周軍英杜洋李瑩曹長雷

(1.圈養野生動物技術北京市重點實驗室，北京動物園，北京，100044；2.中國動物園協會，北京，100037；3.長江師范學院生命科學與技術學院，重慶，408100)

北京動物園圈養平原斑馬種群統計學與遺傳學分析

由玉巖1*周軍英杜 洋李 瑩曹長雷3

(1.圈養野生動物技術北京市重點實驗室，北京動物園，北京，100044；2.中國動物園協會，北京，100037；3.長江師范學院生命科學與技術學院，重慶，408100)

稿件運行過程

斑馬； 動物園； 圈養種群； 繁育； 遺傳管理

圈養野生動物的目的在于使物種能夠長期生存，期望能夠在有限的空間和動物種群數量條件下，實現動物種群良性的可持續發展[1]，我們有必要把物種作為動態的進化實體進行保育并維持物種的遺傳健康[2]。早在20世紀70年代末，美國動物園最先發現，圈養野生動物的近親繁殖會影響動物種群的可持續發展[3]，因此，圈養野生動物種群的遺傳學管理便應運而生。圈養種群的遺傳學管理是避免近親繁殖、保持種群較高基因多樣性水平非常必要的一種管理手段[3]，是動物園保護物種健康發展的需要[4]。通過對圈養野生動物種群的遺傳學管理，可以為不同物種建立真實的譜系，以確定特定個體對當前和未來種群的遺傳重要性，并監測遺傳多樣性的時空變化情況[5]。我國近些年有關圈養野生動物種群的遺傳學管理的報道多集中于珍稀瀕危鳥類[6-8]和靈長類[9-10]，而針對動物園種群較大，且繁育良好的食草動物往往予以忽視。然而，經過近幾十年的繁衍，部分物種在繁育過程中逐步出現了種群衰退現象，如死胎、流產、幼崽生存率低等問題凸顯，同時，部分種群的管理也出現了問題，其中，平原斑馬(Equusburchelli)就是一個最為顯著的例子。

平原斑馬亦稱草原斑馬或普通斑馬。被列入《世界自然保護聯盟》(IUCN)2015年瀕危物種紅色名錄ver 3.1，野外種群現狀穩定，該物種的生存尚未受到威脅。根據2002年IUCN的記錄，野外平原斑馬數量是66萬只，但目前數量仍在緩慢下降，原因主要來自人類活動的影響，如野生動物棲息地的占用、畜牧業的發展以及被家畜占用的水源地等原因。平原斑馬廣泛分布于非洲東部、中部和南部，棲息于水草豐盛的熱帶草原。斑馬是高度社群性的動物，其家庭結構多為每個家庭有1只雄性斑馬，最多6只雌性斑馬及它們的子女組成小群生活[11]。而一些尚未結婚、交配的雄性斑馬則會自己單獨生活，或是跟其他雄性一起生活，直至它們有能力去挑戰有家室的雄性斑馬[11]。在繁殖季節，斑馬表現得十分緊張而活躍，雄獸之間互相會毫不客氣地進行激烈的爭斗，打斗的方式為互相碰擊頸部、用嘴咬、用前蹄踢等[12]。野外生境中，每只獲勝的雄獸每年要交配數只雌獸。雌獸的妊娠期約為11～13個月，每隔3 a生產1次[12]，每胎產1仔，幼仔出生后不久，即可站立和走路，哺乳期約為6個月，3.5～4歲時性成熟。壽命約為20～30 a[12]。

北京動物園飼養斑馬的歷史可以追溯到1971年，1971～2013年，北京動物園圈養及繁育斑馬數量累計達到132只，在過去42 a中，北京動物園繁育的斑馬后代已經遍布全國各大動物園。由于早期對斑馬的飼養和繁殖并沒有考慮到遺傳管理問題，致使早期斑馬的飼養繁育只注重數量增長，并未考慮種群的可持續發展及種群繁育力衰退問題。近些年斑馬的流產率非常高，本研究通過查詢北京動物園歷史檔案，建立斑馬譜系，運用譜系分析軟件進行種群遺傳學分析，并最終制定科學的種群管理策略，為斑馬的科學繁育提供依據，對圈養斑馬種群的健康發展具有重要的意義。

1 研究方法

1.1譜系調查

本研究對北京動物園自1971年以來飼養繁育的斑馬情況進行了調查，對歷史圈養斑馬的引進、輸出、出生、死亡、繁育后代等譜系信息進行了查詢與總結。

1.2數據分析

譜系數據錄入及分析使用ISIS(International Species Information System)開發的SPARKS v1.6軟件；種群統計學和遺傳學分析使用PMx v1.0軟件。通過PMx v1.0軟件分析并明確奠基者數量、潛在奠基者數量及奠基者編號，對奠基者后代數量進行統計。通過PMx v1.0軟件對種群數量變化情況及年齡結構進行分析，對不同時期斑馬的死亡率進行統計，比較不同月份斑馬的出生及死亡情況，并計算種群整體基因多樣性保存比率、潛在的基因多樣性保存比率、奠基者基因等量值、平均親緣關系值、世代長度、有效種群數量，以及有效種群數量與種群數量的比值(Ne/N)等。

有效種群大小(Ne)是指一個種群中能將其基因連續傳遞到下一代的個體平均數，實際上相當于理想狀態下(種群大小的穩定，世代之間沒有重疊，所有個人以相同的概率給下一代貢獻配子)種群的大小。Ne=4NmNf/(Nm+Nf)，其中，Nm表示雄性個體數，Nf表示雌性個體數，Nm和Nf應是指具有正常繁殖、生育能力和不致引起近緣變異和突變的數量。有效種群數量與種群數量的比值(Ne/N)，是判斷種群遺傳管理有效性的重要參數，Ne/N越接近1則表明有更多的個體適應繁育后代，反之則有更少的個體適宜繁育后代。

通過使用PMx v1.0軟件計算MSI配對系數(MSI配對表是根據配對動物的平均親緣關系值、雄雌動物平均親緣關系值的差距、產生后代的近親繁殖系數、配對動物祖先未知因素的總量進行計算的一組數值，通過該表的繪制，可以明確斑馬的最佳配對，數值以1～7表示，1～4為適宜配對，>4為不適宜配對)。

2 結果

2.1圈養種群數量概況

1971～2013年，北京動物園斑馬圈養及繁育累計132只。剔除死胎、流產、死亡、來源和去向不明等個體，最終用于種群譜系分析的個體共計56只，其中雄性38只，雌性18只。

對1971～2013年北京動物園圈養斑馬種群繁育數量變化情況進行了統計，并將剔除前和剔除后的數據進行了比較(圖1)。剔除數據后，種群數量總體呈穩定趨勢，平均增長率λ為0.98。

2.2種群年齡結構與性比

目前，對斑馬現存活個體種群年齡結構的分析顯示(圖2)，種群中育齡個體數量較多，0～3歲幼年個體數量不足，種群數量呈緩慢穩定增長趨勢。歷史圈養斑馬種群總體性別比例為雄性：雌性=1.17∶1(性別不詳個體未列入該分析，下同)。現存活斑馬種群性別比例為雄性：雌性=2.11∶1，適宜繁殖年齡個體性別比例為1.76∶1，性別比例嚴重偏離斑馬一雄多雌的種群現狀。

圖1 1971～2013年北京動物園圈養斑馬種群數量變化情況Fig.1 Changes of captive population of zebra in Beijing Zoo from 1971 to 2013

圖2 北京動物園斑馬圈養種群年齡和性別結構Fig.2 Age and sex structure of captive zebra population in Beijing Zoo

2.3圈養種群的繁殖、死亡情況

譜系數據統計結果顯示，斑馬的繁殖年齡通常多在5～21歲間，據記載斑馬最早繁殖年齡為2歲，最晚繁殖年齡為22歲。斑馬的生理壽命約為30歲，而北京動物園圈養斑馬最高存活年齡為32歲。雌性繁育周期平均1.11 a/胎。1歲前是幼齡斑馬的死亡高峰期。在對1971～2013年北京動物園圈養斑馬月出生、死亡數量情況的調查結果表明(圖3)，42 a間，斑馬在1月出生數量最多，累計達到35只個體；而6～7月死亡數量最多，累計達到15只，3月斑馬死亡數量較6～7月為少，累計死亡5只個體。

通過不同時期斑馬死亡率的統計結果(表1)顯示，幼年斑馬在30日齡死亡率較高，為11%，雌性、雄性30日齡死亡率相同，均為11%；剛出生斑馬的死亡率(含流產)為18%，雄性死亡率為13%，雌性死亡率為24%；未成年個體的死亡率為4%，死亡個體全部為雄性；繁殖期和繁殖后期死亡個體數量明顯下降。

圖3 1971～2013年北京動物園圈養繁育斑馬月出生、死亡數量Fig.3 The born and death number of zebra from 1971 to 2013 in Beijing Zoo

表1不同時期斑馬死亡率統計

Tab.1 The zebra mortality rate in different period

由于2000年前，斑馬的死亡病例還不是十分健全，僅對2000年之后的當年新生個體的死亡原因進行了統計(表2)。結果表明，新生個體死亡率為40%，且近一半的死亡原因為死胎和流產，以2004年死亡率最高為66.67%。

表2 北京動物園2000～2012年0～2歲斑馬死亡原因統計

Tab.2 The death reason statistics of 0 to 2 years old the zebra in Beijing Zoo

2.4 圈養種群遺傳學分析

北京動物園斑馬圈養種群主要來源于不同時期引進的7只奠基者(表3)，其中5只個體已經死亡，現今種群中還有2只存活的奠基者已經繁育了后代，存活個體處于育齡年齡的雄性個體23只，雌性13只，種群只保留了野生個體83%的基因多樣性。該種群的奠基者基因等量值是9，而奠基者的后代數明顯不均衡(圖4)，基因庫87%的基因僅來自于3只奠基者，其中T132號(♂，已故)個體的后代數最多，T62次之。目前，存活奠基者為T62(♂)，T73(輸出，♂)，T74(輸出，♂)。由于T62后代數過多，已不適宜再繼續產生后代，而T73和T74已經輸出，不能滿足園區內個體的繁育需求。其中，僅T132和T133為長期的配偶，其余奠基者均與非奠基者進行了配對。種群中，潛在奠基者的數量僅有2只，占整個種群數量的2.13%，如果能夠使潛在奠基者的基因融入種群，則種群的基因多樣性水平可提升至94%。種群的平均親緣關系值(MK)是0.17，近似于半同胞間的近親繁殖。

表3 北京動物園圈養斑馬種群遺傳學參數

Tab.3 Genetic parameters of captive zebra population in Beijing Zoo

圖4 北京動物園歷史圈養斑馬種群奠基者后代數量Fig.4 Founder contribution and descendants of zebra of captive population in Beijing Zoo

2004年繁殖的數量最多為9只，2010年和2012年分別繁育后代7只，2001年和2005年繁育后代6只，其余年份繁育后代數在1～4只不等。后代年數量變化呈現增減式波動現象。根據配對適宜度指數(MSI)評估現存圈養斑馬種群情況，結果表明大部分都是不利于遺傳健康的配對繁育的后代。根據配對適宜度指數(MSI)表的分析結果(表4)，適合配對的遺傳優勢個體已經很少。

表4 圈養斑馬MSI配對表

Tab.4 Breeding pairs with various MSI scores in captive zebra

注：本MSI配對表僅列出了適宜配對的個體；“-”表示數值已經>7，不適宜再配對

Note：The MSI pairing table only suitable pairing of individuals；“-”indicates values>7 which unsuitably to pair

3 討論

3.1 斑馬種群存在問題

1971～2013年，北京動物園斑馬圈養及繁育累計132只，圈養斑馬種群總數量呈持續穩定趨勢，但如果不做有效的種群管理，種群數量將面臨下降。至今，經由北京動物園繁育并輸出的后代已經遍布全國，隨著斑馬種群的發展，問題也逐步凸顯。

鑒于北京動物園現存斑馬和歷史斑馬性別比來看，過多雄性后代的出現，加劇了斑馬種群中雄性個體對等級地位的競爭，是導致接近繁殖年齡雄性死亡率上升的直接原因。在動物園有限的空間內，過多的雄性競爭將會導致僅有少數雄性個體能夠繁育后代，而那些潛在遺傳優勢個體無法將其優勢基因輸入到該種群中，出現了單一雄性后代數量過多，形成了單一性別個體的不足或過多而導致后代遺傳多樣性比例的不均衡發展的現象出現[13]。此外，數代的近親繁殖更加劇了遺傳多樣性的降低和稀有等位基因的丟失。因此，整個斑馬種群在更多雄性降生和近親繁殖的情況下逐步的衰退。

遺傳管理有效性指數是有效數量與種群數量的比率(Ne/N)，該指數是對未來種群遺傳狀況預測的重要指標[13]。目前，斑馬種群中Ne/N的比率接近0.06，這一結果表明現存斑馬的有效種群已經很少，再加之大量早期奠基者的死亡和潛在奠基者未能有效參與到種群的繁育之中，給現有的斑馬種群發展帶來了更大的問題。影響Ne/N最主要的因素是種群大小的波動，其次為家系大小的變化和性比失衡[13]。鑒于斑馬屬一雄多雌的家族體系，后代中更多雄性的出現會在一定程度上影響了有效種群大小[14]。目前，北京動物園圈養斑馬種群Ne/N的值很低，主要有兩方面的原因。首先，種群的數量始終維持穩定；其次，種群中存在某些個體后代過多的情況。對北京動物園斑馬種群而言，過少的有效種群以及單一建群者后代過多，直接導致了斑馬種群遺傳多樣性的降低；更多近交繁育的出現，更加劇了斑馬種群的近交衰退現象，使得斑馬后代因死胎和流產的死亡的個體占了死亡總數的近一半比例。

北京動物園圈養斑馬種群在衰退的過程中，新生及幼年個體的死亡率也隨之升高。北京動物園斑馬死亡的主要原因是死胎、流產、外傷及疾病等原因。斑馬死亡多集中在早期，表現為出生時及30日齡前死亡率較高，早期流產或死胎是主要的死亡原因；30日齡前死亡個體均表現為體弱，抵抗力低下，極少有因斑馬奶水不足死亡的個體，此期間斑馬幼崽自身免疫力可能是導致其死亡的主要原因。近親的斑馬，如父與女，母與子，兄弟與姐妹間的繁育致使后代逐代親緣系數增高，這可能也是致使免疫缺陷凸顯的誘因之一。通常情況下，家庭中的雄性斑馬會驅逐單身雄性斑馬，以保證雌性普通斑馬有著良好的小環境孕育后代而生活不會受到騷擾[12]。本研究中繁殖前期(5歲前)死亡斑馬均為雄性，多為打斗和外傷致死；另一方面也是由于場地限制，沒有及時將幼年斑馬進行分群。當斑馬形成穩定種群后，死亡率便直線下降，在幼年斑馬接近繁殖年齡時，應盡早分群，以避免更多的爭斗。

3.2 斑馬種群管理建議

鑒于國內早期可追溯來源的斑馬幾乎均源于北京動物園繁育的后代，已不適宜在國內動物園尋找更適宜的配對個體，引進新的種源迫在眉睫。由于飼養場地和引進新個體難度的限制，根據上述研究結果，我們引進2只無親緣關系的雄性斑馬，計算新增個體后的MSI配對表，合理進行配對選擇，以促進種群血緣調配。將原有種群進行重新組和，建立了2個斑馬種群，通過新個體的引進，至少可以在3～5 a內維持斑馬種群遺傳多樣性在90%以上的可持續發展目標。增加奠基者的繁殖機會，減少近親繁育，避免近親繁育，延長單一雌性斑馬世代時間，育齡雄性個體分群飼養，努力每5～10 a引進新的個體或進行合作繁殖。

致謝：感謝北京動物園張金國、盧巖、張耀華、王澤重對圈養斑馬種群管理工作的大力支持，感謝飼養隊各位同仁對相關數據和資料的提供。

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Plains zebra； Zoo； Captive population； Breeding； Genetic management

根據1971～2013年北京動物園圈養平原斑馬的數據，應用種群管理軟件SPARKS v1.6和PMx v1.0對北京動物園斑馬圈養種群進行數據整理、統計學和遺傳學分析。結果顯示該種群數量呈現穩定緩慢增長的狀態。目前，北京動物園斑馬種群面臨的問題主要為性別比例偏離了斑馬固有的一雄多雌的種群結構，雄性個體較多；基因多樣性丟失較快。奠基者的后代數明顯不均衡，導致現今基因多樣性下降至83%，并存在大量半同胞間的近親繁殖，且現有可配對個體嚴重不足。1歲前是幼齡斑馬的死亡高峰期，流產、死胎為死亡主要原因，其次為外傷致死。建議在北京動物園引進新個體，建立2個健康的斑馬圈養種群，做好配對選擇及過多育齡雄性的分群，以減少競爭引發的死亡，增加潛在奠基者的繁殖機會，從而盡快擴大種群數量，并減少后代過多奠基者個體的繁殖機會。

Demographic and Genetics Analysis of a Captive Population ofCommon Zebra(Equus burchelli)at Beijing Zoo

You Yuyan1*Zhou Junying2Du Yang1Li Ying1Cao Changlei3

(1.Beijing Key Laboratory of Captive Wildlife Technologies，Beijing Zoo，Beijing，100044，China；2.Chinese Association of Zoological Gardens，Beijing，100037，China；3.Yangze Normal University，Chongqing，408100，China)

We conducted a data collation and demographic statistical and genetic analysis based on data collected on captive common zebra(Equusburchellii)at Beijing Zoo from 1971 to 2013.We used the population management software SPARKS v1.6 and PMx v1.0.The zebra population increased continuously.The main problem for management of the zebra population is that the sex ratio deviated yielding a surplus of males，and rapid loss of genetic diversity due to polygamy.The numbers of offspring from founders is unbalanced，which has led to a decline in genetic diversity to 83%.There are many inbred descendants among half-sib relatives and a seriously shortage of individuals suitable for breeding.The mortality peak of young zebras is <1 year of age.The main causes of mortality are abortion，fetal death，follow by traumatic death.We recommend introduction of new individuals to establish two healthy captive populations of zebra.Careful selection of individuals for mating and separation of excessive numbers of mature males could reduce death caused by competition while increasing the breeding opportunities for potential founders.These measures would enable expansion of the zebra population as soon as possible while reducing the breeding opportunities for founder whose descendants are already numerous.

國家自然科學基金項目( No． 30770361) 資助

由玉巖，女，35 歲，博士，高級工程師; 主要從事野生動物保護工作。

* 通訊作者: 由玉巖，E - mail: youyy351@163. com

2016-09-14

Q959.843

A

修回日期：2016-10-21

發表日期：2017-05-10

2310-1490(2017)02-222-06