2022-09-19
《Molecular Ecology》
影響因子：6.622
近日，中國科學院動物研究所在生物學領域的《Molecular Ecology》發表新研究成果！本研究對歐亞大陸20個地點的326個科羅拉多馬鈴薯甲蟲（CPB）進行簡化基因組測序分析，結果表明入侵性CPB種群的溫度適應是多基因控制的，而入侵后遺傳多樣性大大降低，表明多基因適應和潛在的遺傳冗余是解決入侵遺傳悖論的機制。
研究背景
科羅拉多馬鈴薯甲蟲是一種全球性的入侵性農業害蟲，在20世紀初從美國到歐洲的入侵種群中發現了一個單一的線粒體單倍型，微衛星等位基因豐富度降低了約50%。然而，西歐的群體隨后成功地在歐洲和亞洲的高緯度和高海拔地區定居，同時持續發展對殺蟲劑的抗性。截至2021，從中亞到西伯利亞，CPB的東移范圍已擴大到約80±10°E。因此，CPB入侵歐亞大陸構成了一個研究入侵物種適應新環境的遺傳悖論的重要系統。本研究使用了沿歐亞大陸氣候梯度取樣的CPB的全基因組標記來研究種群結構，并探索CPB如何適應入侵后的氣候。
研究材料與方法
1.實驗材料
2010-2020年期間，在歐亞大陸的20個地點共采集326個CPB樣本。
2.測序平臺
Illumina Novaseq
3.分析內容
PCA分析，群體結構分析，群體遺傳多樣性分析等。
研究結果
1.遺傳多樣性與種群結構分析
基于篩選得到的803,741個SNP用于遺傳多樣性分析，中亞和東亞的群體預期雜合度（He）范圍為0.212–0.313，顯著低于其他群體，表明入侵前端出現了群體瓶頸。對觀察到的雜合性（Ho）和核苷酸多樣性（π）的分析得出了類似的結果。大多數歐洲群體以及一些入侵前沿群體（ML、CH）的Tajima's D>1，表明入侵后稀有等位基因的缺失和群體規模的下降。PCA 分析顯示來自歐洲和北亞高度混合，來自東亞的種群和一些來自中亞的種群始終以獨立譜系的形式出現。種群系統發育也表明所有種群起源歐洲。研究發現所有MAF在所有地理群體中都是共享的，這表明從頭突變不太可能成為環境適應性進化的基礎。估計選定和非選定等位基因的頻譜，分布顯著不同。有效歷史種群規模分析表明，200代前Ne規模急劇下降，歐亞大陸周圍的種群顯示出高度相似的動態，這意味著歐亞種群共享相同的入侵歷史。
圖1 科羅拉多馬鈴薯甲蟲的樣本位置、遺傳結構和種群歷史
2. 溫度是驅動基因組分化的主要氣候因素
使用基于PCA的pcadapt方法得出的前六個PC共識別出6,360個異常SNP（Q<0.01）。盡管它們不一定與適應任何氣候因素有關，但這些SNP顯著偏離中性預期。梯度森林預測顯示，前三個氣候變量為:(Ⅰ)年平均溫度（Bio1），(Ⅱ)最冷季度溫度（Bio 11）和(Ⅲ)最暖季度溫度（Bio 10）。總的來說，溫度變量（尤其是亞洲較低的溫度）相對于降水對基因組分化具有更大的影響。
圖2氣候因子對遺傳分化的影響
3.溫度因子的多基因關聯
使用GEA測試進行了全基因組掃描，確定了319個SNP，對應139個基因和187個蛋白質。所有測試共檢測到41個核心SNP，對應13個基因和18個蛋白質，其中一個與殺蟲劑抗性相關的基因（LOC111510198）、一個G蛋白途徑抑制基因（LOC111518324）和一個由多個 SNP表征的磷酸二酯酶相關基因(LOC111511809) 。在187個蛋白中，僅一些與活性相關的蛋白過度表達，這可能與在低溫下維持個體發育和行為的生理活動有關。僅富集到小部分基因集，說明大多數其他基因在功能上是離散的，沒有功能特征，或是假陽性。在核心基因中，一個基因的三個可變剪接僅一個富集到了磷酸二酯酶相關的基因。多個可變剪接的富集可能導致該基因的過度表達，但磷脂相關活性（與膜流動性相關）確實是溫度適應的主要功能。其他核心基因（超過五個）可能都與低溫適應的一些離散功能有關。研究結果表明，CPB 的溫度適應是基于多基因的活動調節結構。核心基因座的基因注釋確定了八個基因和八個潛在的冷適應機制。基于這8個基因的LD分析顯示，6個基因具有強連鎖（D' > 0.6），2 個基因具有弱連鎖（D' < 0.3）。
圖3 基因組掃描檢測環境適應的多基因位點
圖4基因組掃描確定的冷適應核心基因座之間的連鎖不平衡(D′)
結 論
本研究結果表明科羅拉多馬鈴薯甲蟲歐亞種群向東擴展的遺傳多樣性下降，種群遺傳結構薄弱（亞洲入侵前沿除外）。種群歷史表明，大約100年前，當CPB引入歐洲時，所有群體都有遇到嚴重的瓶頸。基因組掃描揭示了一系列與冷應激相關的活性調節功能相關的基因，包括一些有充分根據的功能（如磷酸二酯酶活性、G蛋白調節器）和離散功能。盡管存在嚴重的基因耗竭，但這種多基因結構支持多基因適應和潛在的遺傳冗余可以促進CPB適應的假設，因此代表了解決入侵遺傳悖論的一種有前景的機制。更廣泛地說，基于多基因的最復雜性狀可能對入侵瓶頸不太敏感，從而確保入侵物種在新環境中的進化成功。
本研究的簡化基因組測序由上海派森諾生物科技有限公司完成。如需進一步討論，歡迎發郵件或者致電我們喲（郵箱地址：[email protected]，聯系電話：025-56165883-835）！
文章索引：
Fangyuan Yang, Michael S Crossley, Lukas Schrader, et al. Polygenic adaptation contributes to the invasive success of the Colorado potato beetle[J]. Molecular Ecology, 2022, 00:1-13. doi: 10.1111/mec.16666
