2022-09-19
《Molecular Ecology》
影响因子：6.622
近日，中国科学院动物研究所在生物学领域的《Molecular Ecology》发表新研究成果！本研究对欧亚大陆20个地点的326个科罗拉多马铃薯甲虫（CPB）进行简化基因组测序分析，结果表明入侵性CPB种群的温度适应是多基因控制的，而入侵后遗传多样性大大降低，表明多基因适应和潜在的遗传冗余是解决入侵遗传悖论的机制。
研究背景
科罗拉多马铃薯甲虫是一种全球性的入侵性农业害虫，在20世纪初从美国到欧洲的入侵种群中发现了一个单一的线粒体单倍型，微卫星等位基因丰富度降低了约50%。然而，西欧的群体随后成功地在欧洲和亚洲的高纬度和高海拔地区定居，同时持续发展对杀虫剂的抗性。截至2021，从中亚到西伯利亚，CPB的东移范围已扩大到约80±10°E。因此，CPB入侵欧亚大陆构成了一个研究入侵物种适应新环境的遗传悖论的重要系统。本研究使用了沿欧亚大陆气候梯度取样的CPB的全基因组标记来研究种群结构，并探索CPB如何适应入侵后的气候。
研究材料与方法
1.实验材料
2010-2020年期间，在欧亚大陆的20个地点共采集326个CPB样本。
2.测序平台
Illumina Novaseq
3.分析内容
PCA分析，群体结构分析，群体遗传多样性分析等。
研究结果
1.遗传多样性与种群结构分析
基于筛选得到的803,741个SNP用于遗传多样性分析，中亚和东亚的群体预期杂合度（He）范围为0.212–0.313，显著低于其他群体，表明入侵前端出现了群体瓶颈。对观察到的杂合性（Ho）和核苷酸多样性（π）的分析得出了类似的结果。大多数欧洲群体以及一些入侵前沿群体（ML、CH）的Tajima's D>1，表明入侵后稀有等位基因的缺失和群体规模的下降。PCA 分析显示来自欧洲和北亚高度混合，来自东亚的种群和一些来自中亚的种群始终以独立谱系的形式出现。种群系统发育也表明所有种群起源欧洲。研究发现所有MAF在所有地理群体中都是共享的，这表明从头突变不太可能成为环境适应性进化的基础。估计选定和非选定等位基因的频谱，分布显著不同。有效历史种群规模分析表明，200代前Ne规模急剧下降，欧亚大陆周围的种群显示出高度相似的动态，这意味着欧亚种群共享相同的入侵历史。
图1 科罗拉多马铃薯甲虫的样本位置、遗传结构和种群历史
2. 温度是驱动基因组分化的主要气候因素
使用基于PCA的pcadapt方法得出的前六个PC共识别出6,360个异常SNP（Q<0.01）。尽管它们不一定与适应任何气候因素有关，但这些SNP显著偏离中性预期。梯度森林预测显示，前三个气候变量为:(Ⅰ)年平均温度（Bio1），(Ⅱ)最冷季度温度（Bio 11）和(Ⅲ)最暖季度温度（Bio 10）。总的来说，温度变量（尤其是亚洲较低的温度）相对于降水对基因组分化具有更大的影响。
图2气候因子对遗传分化的影响
3.温度因子的多基因关联
使用GEA测试进行了全基因组扫描，确定了319个SNP，对应139个基因和187个蛋白质。所有测试共检测到41个核心SNP，对应13个基因和18个蛋白质，其中一个与杀虫剂抗性相关的基因（LOC111510198）、一个G蛋白途径抑制基因（LOC111518324）和一个由多个 SNP表征的磷酸二酯酶相关基因(LOC111511809) 。在187个蛋白中，仅一些与活性相关的蛋白过度表达，这可能与在低温下维持个体发育和行为的生理活动有关。仅富集到小部分基因集，说明大多数其他基因在功能上是离散的，没有功能特征，或是假阳性。在核心基因中，一个基因的三个可变剪接仅一个富集到了磷酸二酯酶相关的基因。多个可变剪接的富集可能导致该基因的过度表达，但磷脂相关活性（与膜流动性相关）确实是温度适应的主要功能。其他核心基因（超过五个）可能都与低温适应的一些离散功能有关。研究结果表明，CPB 的温度适应是基于多基因的活动调节结构。核心基因座的基因注释确定了八个基因和八个潜在的冷适应机制。基于这8个基因的LD分析显示，6个基因具有强连锁（D' > 0.6），2 个基因具有弱连锁（D' < 0.3）。
图3 基因组扫描检测环境适应的多基因位点
图4基因组扫描确定的冷适应核心基因座之间的连锁不平衡(D′)
结 论
本研究结果表明科罗拉多马铃薯甲虫欧亚种群向东扩展的遗传多样性下降，种群遗传结构薄弱（亚洲入侵前沿除外）。种群历史表明，大约100年前，当CPB引入欧洲时，所有群体都有遇到严重的瓶颈。基因组扫描揭示了一系列与冷应激相关的活性调节功能相关的基因，包括一些有充分根据的功能（如磷酸二酯酶活性、G蛋白调节器）和离散功能。尽管存在严重的基因耗竭，但这种多基因结构支持多基因适应和潜在的遗传冗余可以促进CPB适应的假设，因此代表了解决入侵遗传悖论的一种有前景的机制。更广泛地说，基于多基因的最复杂性状可能对入侵瓶颈不太敏感，从而确保入侵物种在新环境中的进化成功。
本研究的简化基因组测序由上海派森诺生物科技有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：genome_support@personalbio.cn，联系电话：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
