基因组偏移 Genomic Offset

基因组偏移(Genomic Offset)

景观基因组学中用于预测种群在未来气候变化下适应风险的核心方法。从"现在的适应"延伸到"未来的脆弱性"。


一、核心概念

什么是 Genomic Offset

当前气候 → 种群基因组已适应当前环境(基因型-环境匹配)
    ↓ 气候变化
未来气候 → 环境变了,但基因组还是原来的
           两者之间的"错位程度" = Genomic Offset

Offset 越大 → 基因组与未来环境越不匹配 → 适应风险越高

本质上是用当前 GEA 鉴定出的适应性位点建模,计算"当前基因型预测的环境"与"未来实际环境"之间的距离。用适应性位点而非全基因组 SNP,是因为只有适应性位点才反映气候驱动的遗传变异。


二、三种 Offset 类型

类型 含义 回答的问题
Local offset 原地不动,当前基因组与未来气候的错位 "如果种群留在原地,适应有多困难?"
Forward offset 种群向外迁移到更适合未来气候的地方,需要多大遗传变化 "迁移能帮上忙吗?往哪里迁?"
Reverse offset 周边种群迁来"捐献"基因,能否帮助本地适应 "有没有合适的遗传资源供体?"

三种类型联合分析,比只报告 local offset 信息量大得多:


三、计算方法:梯度森林(Gradient Forest, GF)

GF 是目前 Genomic Offset 分析的主流方法:

Step 1:用当前 GEA 候选位点 + 当前气候变量,训练 GF 模型
         → 学习"等位基因频率如何随环境变化"
         
Step 2:将训练好的模型投影到未来气候变量
         → 预测"未来环境下预期的等位基因频率"
         
Step 3:计算当前基因型与未来预期基因型之间的欧氏距离
         → 即 Genomic Offset 值

R 实现(gradientForest 包)

library(gradientForest)

# Step 1:训练 GF 模型
gf_model <- gradientForest(
  data = cbind(env_current, geno_freq),  # 环境变量 + 等位基因频率
  predictor.vars = colnames(env_current),
  response.vars = colnames(geno_freq),
  ntree = 500
)

# Step 2:转换当前和未来气候到遗传空间
current_transformed <- predict(gf_model, env_current)
future_transformed  <- predict(gf_model, env_future)

# Step 3:计算 Genomic Offset(欧氏距离)
genomic_offset <- sqrt(rowSums((future_transformed - current_transformed)^2))

四、未来气候数据从哪来

WorldClim 2.1 CMIP6 降尺度数据:

https://worldclim.org/data/cmip6/cmip6climate.html

标准做法是选多个 GCM 取平均,降低单一模型的不确定性:

常用模型 机构 国家
ACCESS-CM2 Australian Community Climate and Earth System Simulator 🇦🇺 澳大利亚
CMCC-ESM2 Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici 🇮🇹 意大利
GISS-E2-1-G NASA Goddard Institute for Space Studies 🇺🇸 美国

排放情景(SSP):

情景 含义 2100年预估升温
SSP245 中等排放,部分减排措施落实 +2.7°C
SSP585 高排放,化石燃料照旧使用 +4.4°C

时间段:通常选 2060s(2041–2060)、2080s(2061–2080)、2100s(2081–2100)

所有这些数据格式均为 GeoTIFF,与当前气候变量提取方式完全相同,可以直接用 terra::extract() 按坐标提取。


五、案例:Su et al. 2026(山荆子)

分析设计

主要结果

空间分布(2081–2100):

三色合成图区域解读:

区域 颜色 主要压力
东北内陆 紫色(红+蓝) local + reverse 双高,双重困境
东部沿海 黄绿色 forward 压力为主,需向外迁移
内陆中部 深绿色 forward 为主但压力低

种群间比较:

与有害负荷的关系:


六、方法局限性


七、如何应用到牛研究

维度 山荆子(野生植物) 牛(家养动物)
气候压力传导 直接作用于个体 通过饲养管理间接作用
迁移能力 受地理隔离制约 人为引种可"瞬间迁移"
分析意义 预测自然种群命运 识别哪些品种与未来气候最不匹配,指导育种资源优先保护

牛研究中做 Genomic Offset 的价值:

数据准备:

  1. 完成 GEA 分析(LFMM2 + RDA + BayPass 交叉),获得核心适应位点
  2. 从 WorldClim CMIP6 下载未来气候 BioClim 变量(同一套,只是未来版本)
  3. 按品种原产地坐标提取当前和未来环境值
  4. 训练 GF 模型 → 计算 offset → 可视化

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