人类介导的基因流正日益改变种群的遗传组成，然而当前保护评估通常仅关注核基因组渐渗。研究人员综合现有证据表明，线粒体DNA（mtDNA）渐渗可对动物种群的表现型、适应性和生存力产生独特影响。与大多数核基因座不同，mtDNA为单亲遗传、无重组，且编码细胞能量代谢的核心组分，这些组分必须与核基因紧密协调发挥功能。因此，非本地mtDNA的渐渗可能破坏共适应的核质互作，有时会产生性别特异性或环境依赖性的适合度代价。反之，在特定情形下mtDNA渐渗也可能呈中性或有益。研究人员指出，忽视mtDNA可能导致非预期的maladaptation（maladaptation），保护规划应同时考虑线粒体与核遗传学特征。
人类介导的基因流与被忽视的线粒体DNA作用
人类活动已导致全球野生动物种群的迁移与分布发生剧烈变化。当人类介导的过程使此前隔离的类群发生二次接触并产生繁殖时，便会引发人类介导的基因流。这类基因流往往损害野生种群的遗传完整性，对种群生存力构成潜在威胁。在保护实践中，人类介导的基因流也被有意用于提升濒危种群的遗传多样性：或通过掩盖有害隐性等位基因实现遗传拯救（genetic rescue，见术语表），或通过增强可供自然选择作用的遗传变异推动进化拯救。因此，人类介导的基因流正被越来越多地视为保护生物学中的重要力量，既可能侵蚀遗传完整性，也可能提升有益遗传多样性。
尽管现有关于人类介导基因流后果的研究大多聚焦于核基因渐渗，但对新型线粒体DNA（mtDNA）引入是否影响野生种群生存力的关注十分有限。这可能是因为线粒体基因组较小（后生动物中通常为15–20 kbp），且历史上普遍认为种内mtDNA序列变异多为选择性中性，对表型影响甚微。然而，目前已明确种内存在功能性（即改变表型的）mtDNA变异。由于细胞能量生产同时依赖线粒体和核编码的基因产物，自然选择倾向于保留兼容的线粒体-核（即核质）基因型组合。新型组合的引入可能导致核质不相容（mito–nuclear incompatibilities），进而降低生物适合度与种群生存力。
非本地mtDNA在人类介导基因流过程中的渐渗会破坏这类共适应的合作关系，改变适合度。与核渐渗不同，mtDNA渐渗受独特的进化动力学支配，并因其母系遗传、单倍性、后生动物中无重组及有效种群规模较小等特征，可能产生性别特异性后果——这些特征共同塑造了选择的有效性。上述属性与生态、 demographic 因素共同作用，可导致核质 discordance（mito–nuclear discordance），包括mtDNA在核基因流有限的情况下仍发生渐渗的案例。这类模式已在多个类群中被记录，支持线粒体与核基因组可反映不同的进化与 demographic 历史，对种群生存力、物种界定和保护规划具有重要意义。尽管mtDNA渐渗可能带来显著的适合度效应，其保护意义仍未被充分理解。
研究人员并非主张在保护语境下mtDNA渐渗比核渐渗更重要，而是强调线粒体基因组独特的遗传与功能属性可能导致定性不同的结果，这类结果无法被核基因流模型完全预测，因此应在保护规划中得到明确考量。例如，虽然核质不相容可被纳入贝特森-多布赞斯基-马勒不相容（Bateson–Dobzhansky–Muller incompatibilities，BDMIs）的广义框架中，但mtDNA的多个特征表明其可能扮演独特且潜在的 disproportion 角色（例如类似于大效应基因组区域）。首先，后生动物中mtDNA作为无重组单位遗传，选择难以将单倍型内的有益与有害变异分离，清除不相容主要作用于整个线粒体基因组而非单个基因座，这可能降低清除效率，使其低于核-核BDMIs。其次，与核基因组不同，所有mtDNA编码的基因产物都在核心代谢通路中与核编码的搭档广泛互作，增加了渐渗过程中产生适合度改变型不相容的可能性。第三，mtDNA的单亲遗传可产生性别特异性的适合度效应，允许单倍型即使对雄性有害仍能扩散。第四，在许多后生动物类群中，mtDNA突变率升高——对4676种动物的研究显示，脊椎动物中mtDNA平均突变率是核基因组的20倍以上，非脊椎动物中为2–6倍——这会加速分化，增加不相容的概率。更根本的是，两个基因组在所有真核生物中进化上彼此脱钩，经历不同的突变过程与选择压力，这意味着即使在线粒体与核突变率相近或线粒体率较低的情况下，不相容仍可能出现。尽管部分核基因也具有上述部分属性，但几乎所有动物的mtDNA基因都共享这些属性。综上，这些特征表明，尽管编码的基因数量很少，线粒体基因组仍可能对遗传不相容产生独特且潜在的超比例影响。本综述汇总了越来越多的证据，表明线粒体基因与核质互作会影响生物表现型，倡导在保护规划中将mtDNA与核变异一同明确纳入考量。虽然本文主要关注动物与野生动物管理，但鉴于真核生物中线粒体遗传的不对称性及核质不相容的普遍存在，类似原理也适用于其他类群（例如植物中的细胞质雄性不育）。
线粒体遗传学及其在物种表现与适应中的作用
能量代谢与mtDNA
线粒体是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）产生ATP的主要场所，该过程依赖嵌于线粒体内膜的酶复合物。这些酶复合物包含超过90个蛋白亚基，大多数动物中13个由线粒体基因组编码，超过85个由核基因组编码。因此，OXPHOS的功能依赖这些亚基间的紧密协调，使得线粒体与核遗传互作对能量代谢至关重要。
由于严格的母系遗传、单倍性及后生动物中无重组，mtDNA沿特定的母系谱系积累突变，形成具有区域结构的基因型，称为线粒体单倍型。这些特征——加上mtDNA的高拷贝数、常升高的突变率，以及长期以来认为单倍型变异多为中性、由遗传漂变塑造的假设——使mtDNA成为最早被广泛用于系统发育学的分子标记之一。这一中性范式已被挑战：证据表明种内mtDNA变异可影响生物能量与代谢性状，这类功能差异延伸至生理、核心生活史性状甚至行为层面，凸显了相对较小的线粒体基因组内的变异如何深刻影响整体生物学的特征。
核质互作与“母亲的诅咒”
由于线粒体与核编码的亚基必须互作以维持生物能量功能，自然选择预计会作用于它们的联合效应，塑造共适应的核质基因型。由于许多后生动物中mtDNA突变率常较高，地理隔离下mtDNA会快速分化，这通常伴随编码线粒体互作蛋白的核基因进化速率升高，与核基因变化被选择以匹配线粒体基因组的核质共进化模型一致。当分化的谱系发生二次接触时，会出现线粒体与核基因型的新型组合，导致核质不相容与生殖隔离——这一过程得到了来自哺乳动物、鱼类和无脊椎动物的实证支持。
线粒体的母系遗传也使选择难以清除那些危害雄性但对雌性影响微弱或无影响的mtDNA有害突变。这类雄性危害突变预计会在突变-选择平衡下积累——这一假说被称为“母亲的诅咒”（Mother’s Curse）。已有来自人类及其他哺乳动物、昆虫的证据支持该假说，存在明确的mtDNA变异在雌性中表现良好但导致雄性育性降低或完全不育的案例。在某些情况下，这些突变似乎对雌性有明确益处，导致性拮抗线粒体单倍型在正向选择下固定，且仅归因于其对雌性的效应。雄性危害mtDNA突变的积累预计会对雄性核基因组产生强烈的选择，推动补偿性适应以恢复受损功能，可能驱动雄性特异性的核质共进化轨迹。
局域适应与mtDNA
线粒体单倍型间的遗传差异并非仅源于随机突变积累。动物中约四分之一的蛋白质改变型mtDNA替换似乎是受正向选择固定的。跨多个类群——包括哺乳动物、鸟类、鱼类和昆虫——越来越多的证据表明mtDNA对区域气候存在适应。例如在黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中，mtDNA单倍型频率随纬度梯度变化，实验显示亚热带优势单倍型相比温带对应单倍型赋予更高的耐热性但降低耐寒性。黑腹果蝇与豇豆象（Callosobruchus maculatus）的实验进化研究进一步显示，mtDNA单倍型频率在世代间随温度发生偏移。核基因组也会响应这些变化以优化局域适应，包括通过核质共适应——这一模式在Setophaga林莺中得到了支持。
打破壁垒：人类活动如何促进mtDNA渐渗
人类活动正推动动物大规模迁出其历史分布区，为先前隔离的谱系间发生新型杂交与基因交流创造机会，可能破坏局域共适应的核质基因型。重要的是，尽管人类介导的行动总体上可促进杂交与渐渗，但多个生物过程可使渐渗偏向mtDNA：包括单亲遗传使mtDNA可独立于大部分核基因组发生渐渗（尤其是当性别偏倚的扩散或交配模式使线粒体单倍型跨种群边界移动时）；雌性有益/雄性有害单倍型可通过母系传递扩散；以及种群扩张过程中的单倍型冲浪（haplotype surfing）等 demographic 过程，使稀有单倍型在扩张前沿频率上升。这些机制可促进mtDNA渐渗，即使线粒体单倍型为中性或轻度有害。
有意的人类介导基因流通常通过保护举措实施，如迁地重引入、再引入和遗传拯救计划。虽然这些努力可恢复遗传多样性，但也可能引入非本地线粒体单倍型。例如苏格兰欧亚河狸（Castor fiber）的重引入与遗传拯救产生了新型核质组合。类似地，许多野生种群会被补充圈养个体，既用于支持濒危种群，也用于提升收获机会。历史上，许多此类计划优先考虑种群数量增长而非遗传完整性，常忽视maladaptive渐渗的风险。鲑科鱼类提供了突出的例子：广泛的放流与迁地导致非本地线粒体单倍型反复跨越此前的系统发育边界引入。鸟类中也存在类似模式：欧洲与北美每年放流数百万只圈养绿头鸭（Anas platyrhynchos）用于狩猎，导致野生种群发生遗传改变；引入的绿头鸭已在太平洋地区与其他物种杂交，造成新型mtDNA渐渗。这些案例共同说明，旨在保护生物多样性或提升收获机会的行动可能无意中重塑跨类群的核质动态。
非故意的物种迁移与后续基因流可能比有意引入更为普遍。家养逃逸个体常与野生近缘种杂交，为潜在maladaptive的mtDNA渐渗提供途径。大西洋鲑（Salmo salar）是充分记录的案例：水产养殖逃逸个体与有意放流的圈养鱼反复将非本地线粒体单倍型引入野生种群，并在此前的系统发育边界持续繁殖。同样，商业用途的大黄蜂（Bombus terrestris）用于作物授粉，已导致伊比利亚种群中广泛的线粒体渐渗，可能对局域适应产生影响。
除家养化外，全球贸易与运输也是强大的扩散载体。例如扁吻鰷（Opsariichthys platypus）作为偷渡物种被扩散到日本的新区域，导致基因流与非本地mtDNA单倍型的广泛渐渗。此外，德国境内引入的非本地普通壁蜥（Podarcis muralis）谱系促进了历史上隔离的谱系间线粒体单倍型的交换。
气候变化增加了另一层复杂性。气候变化正推动许多物种的分布区转移，使一度隔离的谱系发生接触，可能促进杂交。冰期后的扩张提供了多个充分记录的案例：在Clethrionomys田鼠与Lepus野兔中，冷适应物种的退缩与暖适应物种的扩张形成了杂交带，其中核祖先以暖适应谱系为主，但线粒体单倍型仍偏向冷适应物种。这类模式可能源于雄性偏倚的扩散，也可能反映适应过程，即冷适应物种的单倍型在较凉爽的位点被不成比例地保留。
综上，这些案例强调了人类行动如何拆除基因流的天然屏障，将线粒体单倍型在新型核背景下重新洗牌。尽管引入新型线粒体基因型可能带来适合度后果，但由于强传递与 demographic 偏差同环境依赖性适合度效应的相互作用，mtDNA渐渗仍可能在种群中持续存在，尤其是在小种群中及选择效率低下或呈性别不对称作用时。这类混合的生态与进化后果仍未被充分理解。
为何对保护重要：中性、有益与有害的mtDNA渐渗
过去30年间，学界对mtDNA及其在物种边界作用的认知发生了显著变化。大量研究记录了物种边界处核质不相容的证据，尽管仍需更多自然种群研究。最清晰的致死性核质不相容案例之一见于自然杂交的Xiphophorus剑尾鱼，其中两个核编码基因产物在线粒体复合物I内与mtDNA编码的搭档物理互作。携带纯合核质不相容（两个核等位基因均与线粒体单倍型不匹配）的杂交个体在发育过程中过早死亡，导致自然杂交种群在这些位点仅表现出兼容（“匹配”）的mtDNA与核等位基因。相同核质不相容的杂合杂交个体发育正常，但复合物I活性更低。在叶甲（Chrysomela aeneicollis）中，来自自然混合种群的不匹配核质基因组也导致产卵力与幼虫发育速率降低，类似的核质互作在其他脊椎动物与无脊椎动物的自然种群中也有观察。在动物类群中，核质不相容被假设在生殖隔离中发挥主要——甚至可能是 disproportion——作用，这反映了线粒体与核基因产物在关键细胞功能中的强制性互作，以及在许多类群中常较高的mtDNA替换率。然而，mtDNA对生殖隔离的贡献程度仍是一个有待实证解答的开放问题。无论基因组贡献的相对大小如何，mtDNA渐渗显然可通过与受体核基因组的不相容降低杂交适合度。
但并非所有mtDNA渐渗都是maladaptive的。越来越多的研究表明，mtDNA变异可产生独立于核质互作的直接、适应性适合度后果。这一认识改变了物种边界mtDNA骤变的解释。尽管核质不相容在多个系统中显然重要，但mtDNA与核DNA系统发育的不一致十分常见。这类不一致可能反映与mtDNA单亲遗传特殊性相关的中性过程。然而，mtDNA变异可影响能量性状与气候关联表型的认知日益增加，催生了对mtDNA渐渗的适应性解释。一项针对动物核质不一致的荟萃分析发现，超过三分之一的研究援引了适应性原因。当新的mtDNA基因型被引入一个物种时，可对热耐受性及其他气候表型产生广泛影响，建模也显示杂交过程中mtDNA的正向选择比中性过程更可能产生核质不一致。然而，mtDNA渐渗的适应性假说很少被直接检验，尤其是在自然种群中。
mtDNA渐渗可能有益的另一种机制是通过替换有害的本地单倍型。mtDNA独特的进化动态——包括单亲遗传、单倍性、后生动物中无重组——使其根据经典进化理论易于积累有害突变。已有多个物种的实证研究报道了这类积累。在这些情况下，来自近缘（亚）种的渐渗可作为遗传拯救的一种形式，用有益变异替代突变负荷沉重的单倍型。这类拯救的信号已在慈鲷与果蝇中被提出。异质性（heteroplasmy）——即个体携带多种线粒体单倍型——也可能促进这一过程。尽管一些研究表明异质性可能导致适合度下降，但也有研究记录了异质性mtDNA变异受到正向选择的靶向。值得注意的是，由mtDNA父系渗漏（paternal leakage）驱动的异质性水平在杂交种中似乎升高，为选择恢复原本不匹配基因型的核质兼容性提供了潜在机制。果蝇中的研究证明了这一点：当雌性携带功能失调的mtDNA时，杂交中会出现父系mtDNA渗漏，凸显了异质性可能促进遗传或进化拯救的潜在途径。
在评估保护工作中mtDNA渐渗的可能后果时，应考虑一系列潜在结果。如果新型mtDNA单倍型的效应主要是加性的，那么跨物种边界的渐渗可能促进对气候变化的适应，或拯救携带有害突变的本地单倍型。相反，如果效应主要是上位性的且依赖于核背景，那么引入在自身演化背景中具有适应性益处的非本地mtDNA单倍型，可能在受体背景中降低适合度。这是因为渐渗的mtDNA单倍型并未经过针对受体核基因组自然选择的“检验”，因此核质不相容可能抵消或超过mtDNA渐渗的任何加性益处。即使在理论上，也很难权衡这些考量。有研究人员提出，在遗传拯救计划中，可通过有意共渐渗可能参与维持核质兼容性的核编码基因（通过育种计划或直接基因编辑）来缓解核质不相容。另一个复杂之处在于遗传拯救计划中对供体性别的选择：尽管雌性因繁殖输出方差相对较小常为理想候选，但母系遗传意味着它们也会引入新型且可能不相容的线粒体单倍型。相比之下，使用雄性对种群数量的即时影响可能更有限，但在不直接引入新型mtDNA的情况下，可有效提升核遗传多样性与适应潜力。虽然评估历史基因流并预测定向基因流对濒危种群的影响是所有保护计划的重要组成部分，但这些过程中mtDNA的独特效应也值得仔细考量。
前进方向：将mtDNA纳入保护决策
尽管线粒体遗传信息长期被强调对保护结果的重要性，mtDNA变异仍很少被保护从业者考虑或纳入遗传风险指数。研究人员认为这可能是一个重大疏忽，忽视mtDNA的保护行动可能因野生种群中的核质不相容导致非预期且可能不可逆的maladaptation。与此同时，未考虑mtDNA的行动可能错过适应性遗传变异的关键储存库，限制物种恢复的选项。
鉴于生态学家与保护生物学家的遗传素养不断提升，以及测序技术成本快速下降，研究人员建议，在保护规划中应常规将mtDNA与核遗传数据一同考量。在高风险情境下尤为重要，例如涉及小种群或仅存种群的干预措施，此时maladaptive渐渗的效应可能被放大。当来源与受体种群进化分歧较大时，遗传拯救努力也需谨慎，因为这会增加潜在maladaptive的mtDNA渐渗风险。例如，桡足类Tigriopus californicus的种群间F2与F3杂交种因核-线粒体基因组互作不相容而适合度降低，尽管F1后代表现出强烈的杂交优势。此外，环境条件的变化可选择不同的线粒体单倍型——如温度诱导的果蝇、豇豆象、大西洋鲑与人类中mtDNA变异的选择。在遗传拯救过程中，若供体与受体种群存在显著的生态差异，引入新型线粒体单倍型可能导致局域maladaptation。类似关切也适用于将家养或养殖动物引入逃逸个体可能与遗传独特野生种群杂交的区域。近期研究还强调了mtDNA信息在迁地繁育计划中的价值，显示多个哺乳动物圈养种群中存在mtDNA关联的雄性后代存活率下降，这表明线粒体的母系遗传可能在引入新型核与线粒体基因型组合时导致性别特异性的保护结果。
理想情况下，应将核质兼容性评估与核遗传多样性评估结合，以保障受体种群的长期生存力与适应潜力。当特定物种缺乏直接的mtDNA数据时，从业者可利用系统地理结构信息或已知的种群间进化分歧来识别可能引入新型线粒体单倍型的情形。但依赖这类代理指标时需谨慎，因为核质不一致可能导致线粒体与核分化的复杂且意外的模式——东部黄鸲（Eopsaltria australis）即为例证。
在实践中，研究人员建议将mtDNA纳入保护管理应遵循结构化的、基于风险的框架，而非依赖单一的规定性规则。在以下情形中，mtDNA的考量尤为关键：（i）种群规模小或衰退，此时选择效率低下，maladaptive核质组合可能持续存在；（ii）供体与受体种群在进化或生态上存在分歧，增加功能错配的可能性；（iii）基因流是有意或定向的，如遗传拯救计划；（iv）
