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2024年2月24日，植保所害蟲綜合治理研究室在進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域國際知名學(xué)術(shù)期刊Molecular Biology and Evolution上發(fā)表了題為“Rapid and repeated climate adaptation involving chromosome inversions following invasion of an insect”的研究論文，揭示重大害蟲瓜薊馬Thrips palmi對氣候變化的快速適應(yīng)性進(jìn)化及其遺傳機(jī)制。研究組使用大規(guī)模基因組重測序、同質(zhì)園生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、耐熱性汰選、全基因組掃描分析等方法，探明瓜薊馬在分布區(qū)向我國高緯度地區(qū)擴(kuò)張過程中，多次對不同地區(qū)的極端溫度脅迫產(chǎn)生了快速適應(yīng)性進(jìn)化，發(fā)現(xiàn)了該蟲對高溫脅迫的適應(yīng)性與兩個大片段染色體倒位及多個基因上的SNP相關(guān)，揭示了基因組結(jié)構(gòu)變異作為主效基因位點(diǎn)在昆蟲快速適應(yīng)性進(jìn)化中的重要作用，研究結(jié)果加深了我們對當(dāng)前全球氣候變化和生物入侵背景下害蟲適應(yīng)性機(jī)制的理解。
瓜薊馬又稱棕櫚薊馬、節(jié)瓜薊馬，寄主植物多達(dá)20科50多種，包括茄子、黃瓜、西甜瓜等常見蔬菜和瓜果。該蟲于1927年在印度尼西亞的蘇門答臘島被發(fā)現(xiàn)，并于上世紀(jì)下半葉擴(kuò)散至東南亞、南美洲、澳洲和西非等國家。我國最早于1970年在東南沿海省份發(fā)現(xiàn)該蟲為害，在過去40-50年間，該蟲分布區(qū)不斷向我國北方地區(qū)擴(kuò)張，突破了北緯34°自然越冬的界限，進(jìn)入設(shè)施栽培環(huán)境為害，2000年該蟲在北京地區(qū)被報道，目前已到達(dá)我國內(nèi)蒙古和東北地區(qū)，成為設(shè)施蔬菜上危害最為嚴(yán)重的害蟲之一。2023年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將瓜薊馬列為一類農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行管理。盡管設(shè)施栽培環(huán)境為瓜薊馬在高緯度地區(qū)越冬創(chuàng)造了適宜的條件，但是設(shè)施內(nèi)的極端高溫通常高于露地環(huán)境，又給該蟲造成了高溫脅迫。瓜薊馬由南向北、由露地向溫室環(huán)境擴(kuò)散過程中，對不同地區(qū)氣候環(huán)境的適應(yīng)性是暴發(fā)為害的重要基礎(chǔ)。明確瓜薊馬是否能夠通過進(jìn)化對各地氣候條件產(chǎn)生適應(yīng)性，以及適應(yīng)性進(jìn)化的速率和遺傳機(jī)制，對于揭示瓜薊馬的適應(yīng)性形成機(jī)制與成災(zāi)機(jī)理具有重要科學(xué)意義。
研究團(tuán)隊采集了瓜薊馬17個地理種群的樣品，通過全基因組重測序獲得了基因組變異數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)我國瓜薊馬種群在短短幾十年時間形成了與地理分布相關(guān)的種群遺傳結(jié)構(gòu)，且與氣候因子之間存在較高的相關(guān)性（圖1）。研究組進(jìn)一步對11個田間種群進(jìn)行同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)，測定了每個種群對極端高溫和低溫的耐受性，獲得了表型變異數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)瓜薊馬高溫和低溫的耐受性表型存在明顯的地理變異，南方種群的耐熱性由南向北逐漸下降，擴(kuò)散至北方設(shè)施環(huán)境后快速上升又隨著向高緯度地區(qū)的擴(kuò)散而下降，表明瓜薊馬種群在分布區(qū)擴(kuò)張的過程中多次對溫度脅迫產(chǎn)生了快速適應(yīng)性進(jìn)化（圖2）。這一結(jié)果同時得到了室內(nèi)耐熱性汰選實(shí)驗(yàn)的支持。這是目前第一項結(jié)合基因組變異和表型變異揭示農(nóng)業(yè)害蟲生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)化的研究，體現(xiàn)了組學(xué)與表型研究相結(jié)合的優(yōu)勢，深化了對害蟲適應(yīng)性進(jìn)化速率的認(rèn)識。
通過全基因組掃描分析及基因組變異數(shù)據(jù)、表型變異數(shù)據(jù)和種群采集地氣候數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了該蟲對高溫脅迫的適應(yīng)性與兩個大片段染色體倒位及多個基因上的SNP變異相關(guān)（圖3），揭示了基因組結(jié)構(gòu)變異作為主效基因位點(diǎn)加速瓜薊馬快速適應(yīng)溫度脅迫的機(jī)制，重申了結(jié)構(gòu)變異在物種本地適應(yīng)中的重要性，同時也指出了自然選擇過程的復(fù)雜性和適應(yīng)性機(jī)制的多樣化給全基因組層面鑒定適應(yīng)性相關(guān)的功能基因位點(diǎn)帶來的挑戰(zhàn)。
近年來，團(tuán)隊圍繞薊馬的適應(yīng)性與成災(zāi)機(jī)制開展了一系列研究，破譯了瓜薊馬染色體水平的基因組（Molecular Ecology Resources，2020），解析了瓜薊馬的種群演化歷史（Evolutionary Applications，2019），探明了薊馬抗藥性進(jìn)化規(guī)律及抗性介導(dǎo)的競爭取代機(jī)制（Evolutionary Applications，2020；Journal of Pest Science，2021；Journal of Economic Entomology，2021；Pest Management Science，2023），揭示了瓜薊馬適應(yīng)溫度脅迫的表型可塑性機(jī)制（Journal of Insect Physiology，2024），該研究為團(tuán)隊在薊馬氣候適應(yīng)性領(lǐng)域取得的又一突破性進(jìn)展。
北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所博士后馬麗君為論文第一作者，曹利軍、陳金翠、宋威、楊方園、沈修婧，澳大利亞墨爾本大學(xué)楊瓊博士，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李虎教授以及研究生唐夢卿和任亞靜為論文共同作者，北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所魏書軍研究員和澳大利亞墨爾本大學(xué)Ary Hoffmann教授為通訊作者。研究得到了北京市杰出青年科學(xué)基金等項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/molbev/msae044
圖1：瓜薊馬的種群遺傳結(jié)構(gòu)與演化歷史
圖2：不同地理種群的耐熱性表型
圖3：染色體結(jié)構(gòu)變異與耐熱性表型間的相關(guān)性
