虎毛色多樣性的遺傳演化

陸道煒 徐 霄 羅述金

（北京大學生命科學學院 北京 100871）

體表毛色和斑紋是哺乳動物最顯著的形態學特征之一，發揮著隱蔽、警戒、交流及熱調節等重要的功能，對物種的生存和繁衍具有重要意義。與其他隨機產生的遺傳突變一樣，影響毛色表型的突變也會在自然界中不斷產生，同時受到自然選擇的作用，絕大多數屬于同一物種的野生動物個體維持著統一的毛色和斑紋。并非所有的同種野生動物都毛色統一，一些哺乳動物（例如，美洲黑熊、棕熊、亞洲金貓、細腰貓等）具有一定的物種內毛色和斑紋的多樣性。新出現的變異型如果不影響（甚至增強）物種的適合度，其基因頻率則有可能在野生種群中得以保持，甚至逐漸演化形成穩定的種內多樣性。

豹屬（Panthera）包括虎、獅、豹、美洲豹、雪豹等5 種大型貓科動物，其中虎（Panthera tigris）是唯一具條紋而不是斑點的物種。虎僅分布于亞洲，現存6 個亞種：東北虎、華南虎、蘇門答臘虎、孟加拉虎、印支虎、馬來虎。對比分明的黃底色黑條紋的野生型是所有虎亞種標志性的毛色表型，但主要分布于印度次大陸的孟加拉虎，除野生型黃虎外，還存在4 種毛色多態型：白底黑紋的白虎（white）、金底棕紋的金虎（golden）、幾乎全白的雪虎（snow）和因黑色條紋區域擴張和融合而表現出形成類似于黑化表型的擬黑化虎（pseudomela‐nistic，也稱黑虎）（圖1）[1]。這些非典型的色型是最早產生于野生種群的遺傳變異型，不屬于獨立物種，也不是獨立亞種。在某些色型被引入圈養之后，由于人們的偏好而大量近交繁育，導致了圈養個體中普遍存在著健康問題和生理缺陷，因此，其遺傳起源和保育價值長期存在疑問和爭議。本文將簡要介紹目前已知的非典型虎色型的歷史記錄，以及近期關于虎毛色多樣性的遺傳機制的研究進展，并探討這些遺傳變異對物種生存和適應的潛在影響及其對虎的保護和圈養繁殖的科學意義。

圖1 虎的毛色多樣性和遺傳機制（改自Luo 等，2019）[1]

1 虎毛色多樣性的歷史記錄

在虎的4 種毛色變異型中，白虎出現頻率最高，也是可信記載中歷史最悠久的。我國自古以來，白虎被奉若神明。在東亞，白虎被認為是吉祥的象征，神靈的化身。

野生白虎的歷史最早可追溯至古印度莫臥爾王朝阿克巴（Akbar）大帝統治時期（公元1556—1605年），其編年史的一幅彩繪插畫展現了皇帝和侍衛在1561年途經現印度中央邦時遭遇并獵殺4 虎的情形，其中2 只毛色明顯偏淺清晰可辨，是最早的白虎記錄。在19世紀至20世紀的前半葉，白虎的記錄層出不窮。根據孟買博物學協會期刊（The Journal of Bombay Natural History Society）記載，在1907年至1933年間印度共有至少17 次獵殺白虎的記錄，包括現阿薩姆邦（Assam）、奧里薩邦（Odisha）、中央邦（Madhya Pradesh）、比哈爾邦（Bihar）、北方邦（Uttar Pradesh）、賈坎德邦（Jharkhand）和恰蒂斯加爾邦（Chhattisgarh）等地。據估計在20世紀30年代，印度東北部的比哈爾邦分布約40 只白虎，而當時印度野生虎種群總數量約為40 000 只。表明白虎不是一個物種，甚至也不是獨特的亞種，而是孟加拉虎中自然存在的一種稀少的變異型。然而，由于人類獵殺及棲息地的喪失和破碎化，野生虎種群在上世紀急劇下降，最后一次確切記錄是1958年在比哈爾邦獵殺的一只雌性白虎，此后再沒有過野外的報道。

目前，唯一有明確來源的圈養白虎是1951年捕獲于雷瓦土邦的雄性白虎莫罕（Mohan）。莫罕與黃虎交配所得子一代均為黃虎，隨后與其中一只雌性后代回交，于1958年首次得到人工繁育的白虎，并通過進一步的回交和近交建立了以白虎為主的家系。莫罕的后代被引進到印度、美國、英國并逐漸傳播到世界各地，成為現存大多數圈養白虎的共同祖先。為了快速獲得大量白虎，人們通常采取高度近親繁殖的策略，導致很多白虎飽受病理缺陷的困擾，諸如流產、死胎、免疫系統缺陷、脊椎側彎、髖關節發育不良等，白虎的存在與繁育因此長期遭到質疑和反對。一些反對者認為白虎是動物園或馬戲團違背自然、通過人工繁殖制造出的白化病畸形，不值得保護。白虎之爭，曠日持久。解決這一爭議的關鍵在于圈養白虎常見的生理缺陷究竟是源于白虎毛色這一性狀本身，亦或僅是近親繁殖導致的惡果，解決這一問題就需要探討其遺傳機制。

與通體白色、虹膜淺紅的白化病個體不同，白虎的體表遍布黑條紋，虹膜呈藍色，表明白虎并非白化虎，其細胞內仍有合成真黑色素的功能，但決定黃底色的褐黑色素缺失從而呈現白底色。歷史上有很多野生白虎成年個體被捕捉的記錄，也說明白虎可在野外生存至成年并繁衍后代，其變異的毛色型沒有嚴重影響其生存，推測圈養白虎的遺傳缺陷更可能是近交的結果。一項對美國辛辛那提（Cincinnati）動物園的52 只白虎的觀察也表明，如果消除近親繁殖的影響，白虎和其他圈養動物在生理健康狀況上并沒有明顯差異。廣州長隆野生動物世界的繁育記錄也表明，在引入了多個來源的白虎個體并擴大繁育種群數量后，近親繁殖程度得到有效減緩，近年出生的白虎也大多沒有斜視等缺陷。這說明只要沒有近交，培育健康的白虎是可能的。

與白虎相比，金虎更為罕見（或許與其特征相對野生型差別不明顯而容易被忽視有關）。在1929年前后，印度東北部阿薩姆地區曾記錄到2 只“紅虎”，體表整體呈棕黃色，條紋處不是黃虎的深褐色或白虎的黑色，而是比背景色深的紅棕色，研究者根據當時拍攝的黑白照片中顏色的反差推斷其為金虎。2014年后在印度東北部開展的野外調查中，再次發現了金虎。圈養種群中的金虎最早可追溯至20世紀80年代，目前，圈養金虎不超過30 只。

在圈養繁育種群中出現金虎的同時，還出現了全身幾乎不帶有任何條紋的雪虎。印度東北部的原住民將雪虎奉為神靈，然而，近代以來西方殖民者在該地區開發茶園和狩獵，迅速地將稀少的雪虎獵殺殆盡。20世紀80年代，美國辛辛那提動物園的白虎家系中出現雪虎。

虎的毛皮不僅與底色和條紋的色素合成變異相關，條紋的分布模式發生突變也導致其表型多樣性，黑虎便是這樣的代表。不同于豹和美洲豹中出現的黑化（melanism）現象，并未發現真正的虎黑化個體，只有由于黑色條紋擴張和融合而導致的黑虎，稱為擬黑化（pseudo-melanism）。關于黑虎明確的記載僅出現在孟加拉虎中，但20世紀以前印度及周邊地區關于黑虎的記載大多為黑豹的誤稱。近幾年位于印度東部奧里薩邦的西密里波（Similipal）國家公園發現了較多野生黑虎。這些虎的體型比同年齡的野生型黃虎稍小，加之該種群與印度其他地區的虎種群隔離程度嚴重，研究者懷疑該表型的出現是隔離小種群內部近交和遺傳漂變的結果。目前，野生黑虎基本集中在該公園，數量呈增長的趨勢。在印度的3個圈養種群也有黑虎的記錄，但其數量和比例與白虎和金虎相比都更低。

2 虎毛色多樣性的遺傳機制

哺乳動物的皮膚和毛發的顏色由毛囊中的黑色素細胞（melanocyte）分泌的黑色素（melanin）決定。黑色素有2 種，其中，真黑色素（eumelanin）形成深棕色或黑色，褐黑色素（pheomelanin）形成黃色或紅色。這2 種色素的含量、比例和分布決定了哺乳動物毛色和膚色的多樣性[2]。野生型黃虎的毛發包括2 種毛色模式：橘黃色毛發為兩端真黑色素、中間插入褐黑色素條帶的agouti 毛發，而條紋處則為僅包含真黑色素的純黑毛發[3]。白虎和金虎分別為底色和條紋2 種毛色模式合成通路異常所形成的表型；而雪虎則是真黑色素和褐黑色素的合成同時受到了抑制。擬黑化虎的變異不涉及色素合成通路的改變，而是表皮色素分布的分區出現異常從而導致條紋區域擴張。

基于經典遺傳學中的家系分析，研究人員基本確定這幾種變異類型都是單基因隱性突變導致。白虎和金虎由2 個獨立的隱性突變位點分別決定，而雪虎是同時攜帶了這2 種突變的純合子。黑虎則是由另一個獨立的與斑紋形成相關的遺傳位點所致。近10年來，隨著基因組學領域技術的發展，科研人員已破譯了目前已知所有的虎毛色多樣性的遺傳機制，以下將對導致白虎、金虎、雪虎、黑虎等4 種變異表型的基因和突變進行介紹。

2.1 白虎：Slc45a2基因突變對于褐黑色素合成的影響 白虎體表的褐黑色素合成被阻斷，表現為白底色和棕黑條紋[4]。白虎體表缺失褐黑色素，其真黑色素的合成通路仍然存在，體現在藍色虹膜及深色條紋。本研究團隊基于限制性酶切位點關聯DNA測序（whole genome sequencing,RAD-seq）和全基因組測序（restriction-site-associated sequenc‐ing,WGS），對一個包含了16 只圈養個體的白虎家系開展全基因組關聯分析（genome wide associa‐tion study,GWAS），并在130 只沒有親緣關系的虎樣本集中進行了驗證[5]。表明一個發生在轉運蛋白SLC45A2 上的氨基酸改變（A447V，第447 位由丙氨酸變為纈氨酸）形成了白虎表型。Slc45a2是一個已知的參與色素合成的基因，編碼一個12 次跨膜的離子轉運蛋白，并且特異性地表達在黑色素細胞中負責合成黑色素的黑色素小體（mela‐nosome）。該基因上的一些突變在人類、低地大猩猩、多伯曼短毛獵犬中造成白化病（oculocutaneous albinism），另一些變異則與小鼠、馬、雞、魚中色素減少的性狀相關[6]。Slc45a2基因在歐洲人群歷史上曾經歷過強烈的自然選擇，與其他人群相比形成顯著的種群差異，也是與歐洲人淺膚色相關的重要遺傳因素之一[7-8]。

作為質子轉運蛋白，SLC45A2 在維持黑色素小體的內環境pH 穩態上起著重要的調節作用[9]。蛋白質結構預測表明，A447V 氨基酸變化可能影響SLC45A2 的轉運通道，造成黑色素小體內pH 環境失衡[5]。由此推斷，白虎的真黑色素和褐黑色素生成都將受到顯著影響，而這與白虎體表仍有明顯黑色條紋的性狀不符。本研究團隊通過探究貓科動物斑紋模式形成的遺傳機制發現，體表深色的條紋或斑點區域（例如，家貓的條紋、獵豹的斑點）受另一獨立細胞通路調控，通過Edn3的高表達促進特定區域亦即條紋或斑點區的真黑色素合成[10]。這一色素分布模式的維持機制是貫穿于整個貓科動物演化的保守通路，據此推測，白虎可能借助于這一不受Slc45a2突變影響的黑色素合成機制維持了條紋處的真黑素色合成，進而表現出白色底色上棕黑色條紋[11]。

Slc45a2的多態性（polymorphism）與人的膚色及其他一些動物的毛色有關。但除了極少的突變與人類白化病相關，更多的突變表現為人、馬、鵪鶉、雞等物種在該基因自然存在的多態性，這些多態性使毛色或膚色變淺，對其他生理途徑或器官功能的影響甚微。因此，從白虎形成的遺傳機理分析，白虎不是白化病，也不是先天的遺傳缺陷或畸形。從遺傳多樣性分析，白虎具有保護和研究的價值。這一結論結束了長期以來動物學界關于白虎是否是一種遺傳缺陷的爭論，為虎的遺傳多樣性保護及白虎的繁殖策略等提供了科學的佐證[1]。

野生白虎的記錄一直零星但持續地出現，說明白虎隱性基因在整個孟加拉虎的野生種群中，以一個較小的比例穩定地傳遞。盡管攜帶這一變異的基因頻率較低，但這種多態性已在野生虎種群中延續了至少數百年，應當被視為自然的虎遺傳多樣性的一部分。白虎這一變異沒有對生存和繁衍產生顯著的負面影響。可能是因為虎及其有蹄類（鹿和野豬等）獵物在視覺上與人類的三原色色覺存在差別，或許在捕食者和被捕食者動物眼中白虎與黃虎并無太大差別的緣故。

由于已發現導致白虎毛色的基因，通過基因鑒定的方法可甄別2 只攜帶隱性“白虎基因”的孟加拉黃虎。依據經典孟德爾遺傳定律，它們交配后可產生的后代中有1/4 的幾率是白虎。

2.2 金虎和雪虎：Corin基因突變對于黑色素合成的影響 金虎是由于真黑色素合成通路受到抑制，形成淡金黃色的底色上覆紅棕色（而非黑色）條紋。雪虎的2 種黑色素的含量都極低，除了尾部和肢端幾乎通體白色。金虎體表背景處的agouti 毛發中褐黑色素條帶占比更大，該變異位點被稱為“寬帶（wideband）”位點。雪虎的表型則是來自于白虎的white位點和金虎的wideband位點復合隱性純合所致。white位點即為發生在Slc45a2基因上的突變，而wideband位點并不位于任何一個已報道的毛色決定基因（MC1R、ASIP、TYR、TYRP1）上。本研究團隊選擇圈養虎家系在wideband位點有性狀分離的19 只個體（包括1 只金虎，8 只雪虎、10 只白虎）進行限制性酶切位點關聯DNA 測序、全基因組測序及全基因組關聯分析，并在38 只金虎與雪虎（wideband位點突變型純合）及159 只野生型黃虎和白虎（至少攜帶一個wideband位點野生型基因型）的樣本中進行了驗證分析，將wideband遺傳位點定位到Corin基因第587 位氨基酸[3]。野生型的組氨酸在金虎中突變為酪氨酸（H587Y），導致了金虎的淺黃底色；該氨基酸變異與發生在Slc45a2基因的A447V 突變均為純合時，則表現為條紋和色素沉積幾乎完全消失的雪虎表型。

Corin基因編碼了一個跨膜的絲氨酸蛋白酶，通過抑制ASIP 通路參與色素形成[12]。哺乳動物agouti 毛發中段的褐黑色素條帶源自毛發形成過程ASIP 信號蛋白（agouti signaling protein）的短暫高表達，導致黑色素的合成由真黑色素向褐黑色素的轉變[2]。CORIN 蛋白在ASIP 蛋白下游發揮作用，通過降解ASIP 參與調控毛發生長周期中ASIP蛋白的生效時間長度。金虎的H587Y 突變削弱了CORIN 蛋白的功能，干擾了ASIP 蛋白的及時降解，導致其作用時間變長，從而在agouti 毛發中生成更長的褐黑色素條帶[3]，整體表型則表現出真黑色素顯著減少而呈淺金黃色毛發。

在雙突變純合的雪虎中，白虎所攜帶的突變和金虎所攜帶的突變效果疊加后造成了黑色素合成過程的整體抑制[3]。發生在Corin基因上的突變本身對于ASIP 活性的調控作用并不足以解釋雪虎的體表條紋顏色改變。白虎在條紋處還有Edn3基因的高表達，對應于白虎中特定于條紋區域的黑色素合成，即通過EDN3 蛋白激活的黑色素合成通路可不受ASIP/MC1R 的調控[5]。金虎和雪虎的表型則說明，EDN3 蛋白的這一效果可能在雪虎中被Corin和Slc45a2的雙重突變抑制。

2.3 黑虎：Taqpep基因突變對于毛色斑紋形成的影響 虎的擬黑化表型是由于真黑色素的沉積增加而導致了更密的條紋，表現為體表黑色條紋的加粗和部分融合，尤其是在背部和尾部，使得其體表黑色面積增加乃至在部分角度下看起來為全黑色[13]。家貓（Felis catus）中的斑點貓（blotched cat）類型和獵豹（Acinonyx jubatus）中的王獵豹（king cheetah）變異都表現為類似體色，此前的研究將這種條紋與背景毛發的排列模式異常定位于Taqpep基因。Taqpep基因在胚胎發育早期確定深色和淺色區域的預模式（pre-pattern）過程中起著重要作用，其突變會影響黑色素分布的區域，進而導致體表黑色條紋的擴張和融合[10]。

為探究黑虎的毛色型是否也由Taqpep基因突變導致，Sagara 等[14]對8 只圈養虎的家系（包括3 只黑虎）進行全基因組測序，發現所有黑虎都攜帶有TAQPEP 蛋白序列上第454 位的由組氨酸變為酪氨酸的純合突變（H454Y）。該位點位于TAQPEP 蛋白與金屬離子結合區域上，在其他物種中都是保守的組氨酸。研究人員進一步通過對13 只圈養虎的非損傷性樣品（毛發、糞便、唾液等）的研究，驗證了該突變僅在黑虎中為純合，而在西密里波國家公園以外的野生虎種群均未發現Taqpep基因突變型。基于糞便等非損傷性采樣，研究者從西密里波國家公園野生虎種群識別出12 只不同個體，其中4 只為突變基因型純合，6只為雜合，反映了黑虎基因型在該種群的高頻率分布。針對印度圈養種群中黑虎個體的溯祖分析也顯示該遺傳突變最可能源自西密里波種群。對于黑虎突變型的地域性分布而且在特定種群中的高基因頻率，研究者主要認為是在近百年來受到隔離的小種群中發生近交及隨機漂變積累的結果。此前針對于黑化美洲豹的研究顯示，更深的毛色可能有利于捕食者在熱帶叢林的隱藏[15]，因而，擬黑化的毛色也可能具有一定的適應性。

3 總結及展望

由于棲息地喪失、獵物減少及偷獵、盜獵，野生虎種群數量已從一個世紀前的大約10 萬只銳減至目前的4 000 只左右。與此同時，世界圈養虎數量龐大，保守估計至少上萬只。除了野生型黃虎和新近報道的黑虎之外，其他白虎、金虎和雪虎等毛色型的野外記錄已極為罕見，雖然人工繁育條件下有相當數量圈養種群，但其遺傳起源和保育價值長期存在爭議。值得注意的是，這些不同毛色的虎都是物種內的多態性，甚至基本可確定是孟加拉虎亞種內起源的遺傳變異，不是獨立的物種或亞種，因此，單一的表型不應該成為獨立的保護和管理單元。

通過遺傳機制和野外記錄的分析得知，白虎不是白化病，其Slc45a2基因變異本身對于個體的生存和繁衍沒有顯著影響，而且在野生虎種群中延續了至少數百年，應當被視為自然的虎遺傳多樣性的一部分，具有保護的意義和價值。現存圈養白虎所遭受的健康問題是由于嚴重近交所致，并非因為白虎性狀是遺傳缺陷。數百年亦或數千年，人們無法準確得知白虎在地球上最早出現的時間。然而，人們知道，在南亞次大陸的廣袤原野中，在人類將其捕殺殆盡之前，白虎及其黃虎同胞曾經作為一個種群而一起自由馳騁。人們固然不必盲目地過量繁殖白虎，但也不應妖魔化地排斥白虎。動物園作為生物多樣性的“諾亞方舟”，筆者建議應該擔負起維系虎的遺傳多樣性的責任，在圈養種群中排除近交，保持少量但是健康的白虎，將其納入到規范的虎繁育管理體系中。

金虎和雪虎雖然也有野外的記錄，其頻率遠小于白虎，而且由于Corin基因除了黑色素細胞通路以外還參與了血壓調節等重要的生理過程，其突變除了導致毛色變異外，是否還產生其他缺陷性狀進而引起個體適合度的下降，需要更深入的研究。近幾年在印度東北發現的野生金虎位于高度破碎的棲息地，有可能與小種群中近交加劇及遺傳漂變有關，值得密切關注。現存野生黑虎僅分布于印度東部的一個地區，也可能與棲息地片段化及種群隔離有關。

除了對于物種保護的意義，揭示虎的毛色形成遺傳機理也為研究哺乳動物黑色素合成通路和適應性演化進行了積極的探索。對于虎毛色變異的研究拓展了人們對哺乳動物毛色遺傳機制的認識，例如，金虎決定基因Corin基因是哺乳動物中報道的第2 個wideband遺傳位點，由此表明了哺乳動物agouti 毛發類型突變的多重起源，也體現了通過非模式生物研究動物表型多樣性的價值和意義。