《Biomolecules》：Genomic Insights into Local Adaptation and Evolutionary Trajectories of Propylea japonica
Lijuan Zhang,
Yan Shi,
Mengqi Wang,
Yang Xu,
Xiaojie Yang,
Man Zhao,
Weizheng Li,
Xianru Guo,
Chenchen Zhao and
Yuqiang Xi
编辑推荐：
这篇综述基于对遍布中国的29个种群、166个个体的全基因组重测序数据，系统解析了重要生物防治天敌——日本瓢虫（Propylea japonica）的种群进化历史与遗传结构。研究揭示了其种群起源于黄河流域，并阐明了南北种群显著的遗传分化主要由南方种群对高温和杀虫剂的适应性进化驱动。文章鉴定了与杀虫剂抗性和热耐受性相关的关键适应性基因及信号通路（如cGMP/PKG通路），并预测了其在不同气候情景下的适宜栖息地变化。这些发现为培育高适应性的瓢虫品系、制定“区域精准释放”的生物防治策略，以及实现从经验性防控向预测性、精准化害虫管理的范式转变提供了关键的遗传学依据。
1. 引言
日本瓢虫（Propylea japonica）是一种鞘翅目瓢虫科的关键捕食性天敌，主要捕食蚜虫、粉虱、飞虱和小型毛虫，在农业生态系统的害虫管理中扮演着至关重要的角色。该物种原产于中国，分布广泛，具有高度的遗传和表型多样性，并对包括高温和重度农药使用在内的环境胁迫表现出强大的适应力，使其成为生物防治中极具价值的媒介。利用基因组数据理解日本瓢虫的进化轨迹和环境适应机制，对于推动生物防治从经验性、被动应对模式向预测性、精准化和预防性管理模式转变至关重要。特别是对于遗传分化的种群，全面的种群基因组学研究可以为天敌的区域性精准保护提供早期的分子见解。
环境耐受性和适应性对昆虫进化至关重要，塑造着个体和种群层面的适应度性状。这些过程驱动着遗传多样性、种群结构的改变以及进化显著单元的形成。随着技术的快速进步，如今可以将生态位模型与全基因组测序数据相结合，在预测未来栖息地变化的同时，刻画种群内部的适应性遗传多样性。这种整合方法能够揭示适应性性状的鉴定、种群对环境变化的脆弱性以及本地适应的地理模式。
占据更高营养级的捕食性昆虫对环境变化尤为敏感，容易发生种群数量波动和局部灭绝。一些天敌已进化出适应性性状，包括杀虫剂抗性和热耐受性，从而增强其应对环境胁迫的能力。然而，这些环境胁迫因素在多大程度上塑造了种群分化，以及进化显著单元如何应对这些压力，目前尚不清楚。阐明日本瓢虫适应性的基因组基础，对于理解其对气候变化和农药暴露响应的分子机制至关重要。这类见解将有助于预测不同种群对未来环境变化的反应，并为制定综合害虫管理策略提供信息。
2. 材料与方法
2.1. 样品采集与DNA提取
研究从中国29个地点采集了共166只日本瓢虫个体进行基因组分析。大多数地点提供了6-8个个体。标本在DNA提取前保存在-80°C的95%乙醇中。
2.2. 基因组测序、数据比对与SNP检测
使用Illumina HiSeq 2000平台对基因组DNA进行测序。使用Burrows-Wheeler Aligner将高质量读数比对到日本瓢虫参考基因组上。使用Genome Analysis Toolkit进行变异检测，并应用严格的质量控制标准筛选SNP。
2.3. 系统发育分析与遗传结构
最终保留的2725万个高质量SNP被用于系统发育分析。使用MEGA X软件构建邻接树，并采用主成分分析和ADMIXTURE软件分析种群结构。通过计算遗传距离与地理距离的相关性来评估隔离距离的影响。
2.4. 生态位分析
使用最大熵模型分析日本瓢虫的生态位。利用来自全球生物多样性信息机构的分布点数据和世界气候数据库的历史、当前及未来气候数据，预测其在不同时期的适宜栖息地分布。
2.5. 进化历史
使用成对序列马尔可夫聚结模型和SMC++模型，结合G-PhoCS分析，重建了日本瓢虫的有效种群大小变化历史、种群分化时间和基因流模式。分析采用了基于果蝇的突变率估算。
2.6. 适应性信号检测
使用PopGenome软件包在100 kb滑动窗口内计算全基因组的遗传多样性参数，包括核苷酸多样性（θπ）、Watterson估计量（θw）、种群分化指数（Fst）、Tajima's D以及Fu and Li's F和D统计量。通过比较基因组分化程度和核苷酸多样性比率，结合功能富集分析，鉴定受到选择的基因组区域及相关基因。
3. 结果
3.1. 组装与基因组变异
共获得1.11 Tb的干净数据，最终数据集包含27，249，260个SNP和2，944，789个InDel。其中394，357个SNP具有潜在的功能影响。
3.2. 系统发育进化与遗传多样性
主成分分析揭示了三个主要遗传组（G1， G2， G3），解释了约12.57%的总遗传变异。G3组（内蒙古包头和黑龙江东宁的个体）与其余组明显分离。G1组（黄河沿线及以北）和G2组（长江沿线及以南）也发生了分化，但存在一定程度的基因混合。ADMIXTURE分析在K=3时为最优模型，证实了这种地理结构。
遗传分化分析显示G1与G2之间分化较低（Fst=0.026），表明近期分化和持续的基因流。然而，G1与G3之间以及G2与G3之间则存在显著的遗传分化（Fst分别为0.367和0.388）。遗传距离与地理距离在全基因组水平上呈显著正相关，支持了隔离距离是遗传变异的关键驱动因素。
系统发育树分析表明，以异色瓢虫为外群时，华北（G1）和G3的种群位于最接近外群的基部分支，其中G3最靠近外群。这表明G3谱系可能代表一个早期分化或初始分化的类群。综合结果表明，北方类群（G1）代表了G3（北方分化组）和G2（南方组）的共同祖先谱系。
遗传多样性参数显示，从G1到G3呈递减趋势，G1表现出最高的遗传多样性。尽管日本瓢虫的遗传多样性相对较低，但其杂合率较高，G1和G2的基因组杂合率分别约为34.15%和33.69%，而G3较低（24.50%）。连锁不平衡分析显示G3的连锁不平衡最高，表明其经历了更强的选择压力。
3.3. 种群历史动态
PSMC分析显示，在过去10万年里，华北和华南的日本瓢虫种群经历了相似的历史动态，表现为一次下降和两次扩张。第一次扩张发生在大约2.5万至7万年前，随后在末次盛冰期（约2万年前）出现种群下降，并在约2000-7000年前达到低谷。随后种群规模再次增加，G1和G2之间的分化开始显现。
SMC++分析估计了近期历史上的种群分化时间和有效种群大小变化趋势。当仅考虑G1和G2时，它们的有效种群大小曲线在大约25至400年前开始分化，G2在分化期间保持更高的有效种群大小。而当分析所有三个组时，它们的有效种群大小曲线则难以区分。
PhoCS分析估计G1和G2的分化时间约为2830万年前，其共同祖先的有效种群大小增加了13.08%。G3与G1和G2的分化时间估计约为1.911亿年前，伴随有效种群大小减少了48.73%。基因流分析表明三个地理区域之间存在持续的基因交换，且从G3到G1/G2的基因流高于反向。
基于当前气候条件的生态位模型显示，高适宜栖息地主要位于中国北方，南方则呈碎片化分布。对过去气候的模拟表明，在末次盛冰期，适宜栖息地收缩，高适宜区仅存于东部沿海和部分北方地区。到全新世中期，高适宜区域向南扩展。对未来时期的预测（2081–2100年）则显示，适宜栖息地将进一步向北、东北和西部扩张。
3.4. 本地适应的基因组特征
通过高θπ比率和极端Fst值，鉴定了受选择的基因组区域。在G1/G2比较中，发现了102个选择性清除窗口（平均大小：617.65 kb），Fst>0.237且θπ比率>1.816。在G1/G3和G2/G3比较中也分别鉴定出31个和24个选择性清除窗口。这些结果凸显了各组间在局部基因组区域上的显著分化。
对南方种群（G2）的功能富集分析（前5%阈值）发现，候选基因主要与金属离子结合、水解酶活性、血红素结合、磷酸酶调节活性、抗氧化活性等分子功能相关。相关的生物学过程包括DNA重组、幼虫行为、cGMP代谢、信号转导、中胚层发育等。cGMP是关键的细胞第二信使，在应激反应中起核心作用。DNA重组是昆虫适应性进化的主要驱动力之一。中胚层发育则受选择压力下的遗传和表观遗传变异影响。
在南方谱系中鉴定出的关键基因包括两个细胞色素P450单加氧酶基因、突触结合蛋白1亚型X1、驱动蛋白样蛋白亚家族成员2、几丁质脱乙酰酶4前体和锌指蛋白1转录变体X4。CYP450s参与药物代谢和异生物质的氧化代谢，并与日本瓢虫的杀虫剂抗性相关。几丁质脱乙酰酶在昆虫生长发育中起关键作用，是潜在的杀虫剂靶标。锌指蛋白是免疫反应的关键调节因子。
对于G3谱系（G1/G3），功能富集分析（前5%阈值）揭示了132个位于选择区域的基因，显著富集的GO类别包括锌离子结合、过渡金属离子结合、MAPK级联反应等。MAPK级联是基础信号转导通路，调控真核生物的压力和免疫反应。
对于G2/G3比较（前5%阈值），鉴定出98个位于选择区域的基因，显著富集的分子功能类别包括NAD结合、抗氧化活性、鸟嘌呤核苷酸交换因子活性等。NAD对于能量代谢、衰老和细胞功能至关重要。
4. 讨论
4.1. 日本瓢虫的地理起源与系统发育关系
基于遗传多样性参数和系统发育关系的连续奠基者模型分析，研究确定日本瓢虫起源于中国中部（G1，黄河流域）。遗传多样性最高的是黄河流域（G1），其次是长江流域（G2），而华北地区（G3）最低。系统发育树结果支持连续奠基者模型，确认日本瓢虫起源于黄河流域。
栖息于中国最北部和东北部的G3谱系显示出独特的进化祖先和本地适应特征，这与“气候变异性假说”一致。该假说预测，暴露于极端环境条件下的种群，与生活在更稳定环境中的种群相比，会表现出更强的适应性分化和与气候相关基因的变异减少。G3地区频繁经历严寒、极端温度波动和频繁的气象灾害，这些环境挑战加上边缘种群效应，使得G3谱系对气候变化更为脆弱。
4.2. 种群历史波动
关于日本瓢虫的种群历史，G1和G2种群都经历了有效种群大小的下降，这可能是由于第四纪冰期（特别是末次盛冰期）的恶劣气候条件，以及全新世期间的植被变化和人为影响造成的。日本瓢虫喜好温和湿润的环境，是典型的温带物种。末次盛冰期显著的降温和干旱化可能导致生态剧变，从而减少了其有效种群规模。
在过去1000年中，黄河流域和长江流域的有效种群规模有所扩大。物种通常通过迁移、表型可塑性或适应性进化来应对气候变化，而日本瓢虫展现了运用这三种策略的能力。首先，通过分子和生态位模型检测到种群间存在适度的基因流，起到了平衡选择和遗传均质化的作用。其次，日本瓢虫具有较高的表型可塑性，在同一宿主、栖息地或不同地理区域观察到多样的表型。第三，日本瓢虫拥有大量耐热基因，有助于适应未来气候变暖。气候变暖时期历史上促进了种群扩张和分布范围扩大。
4.3. 驱动遗传分化的因素
种群结构分析显示，日本瓢虫包含三个遗传分支：一个南方分支（G2）和两个北方分支（G1和G3），它们之间存在一定程度的混合。种群历史动态分析表明，南北种群的分化大约发生在500年前。
在南方种群中，选择性清除分析发现了能量代谢、异生物质解毒和信号转导通路的高活性。关键功能基因包括介导农药解毒的CYP450s、作为潜在农药靶标的几丁质脱乙酰酶，以及增强对本地环境适应性的突触结合蛋白1。这些基因在应对环境胁迫的转录和生理反应中起着至关重要的作用。
考虑到历史上的气候波动和中国不同地区的农药施用制度，观察到的“南北”遗传分化可能主要是G2分支在农药压力、全球变暖和地理隔离下适应性进化的结果。过去一个世纪，气候变暖导致了主要食物的变化；例如，华南地区转向更多需要高农药投入的作物。西南地区的高剂量农药施用量增幅最大，而广东、福建和海南等东南省份的农药使用强度极高。持续的农药施用不仅提高了作物产量，也对昆虫抗性产生了强大的选择压力。南方日本瓢虫种群对常见杀虫剂已产生中等到高水平的抗性。这些地区的持续农药施用预计将加剧这种选择压力，进一步增强日本瓢虫种群的抗性。
热胁迫响应在南北日本瓢虫种群中也存在差异。经预处理后，来自南方广东的幼虫表现出比北方北京种群显著更高的耐热性。华南的累积活动温度远高于华北。中国多种昆虫已形成本地热适应，耐热性随纬度升高而降低。总之，长期暴露于高农药水平和频繁的热胁迫，驱动了华南日本瓢虫种群的适应性进化，导致其与北方种群产生显著的遗传分化。
这些发现为更有效地利用日本瓢虫提供了路线图：辅助培育高效商业品系以应对温室和气候挑战，并指导在南部地区或温室等高压力、高温环境中优先采用适应性强的G2品系的“区域精准释放”策略。通过解读遗传分化背后的适应机制，我们可以将进化历史转化为可应用的策略，为实现生物防治从“广谱粗放”模式向“精准高效”模式的范式转变铺平道路。
5. 结论
为了研究日本瓢虫的种群进化模式和环境适应基础，我们对来自29个种群的166个个体进行了全基因组重测序，分析了种群进化历史、遗传结构和遗传多样性，同时鉴定了参与环境适应的关键基因。种群遗传分析发现了显著的南北分化，这主要归因于南方种群对高温和大量杀虫剂使用的适应性进化。系统发育分析表明，北方种群比南方种群表现出更高的遗传多样性和更早的起源，表明该物种起源于中国北方的黄河流域。种群历史动态和生态建模揭示，日本瓢虫在过去2万年间由于恶劣气候（尤其是末次盛冰期）经历了种群瓶颈，随后在气候变暖及其强大的适应性进化能力驱动下近期发生了扩张。全基因组选择性清除分析在南方种群中鉴定出大量与耐热性和杀虫剂抗性相关的关键基因，这些基因主要富集于抗氧化活性、血红素结合、磷酸酶调节和信号转导等通路。本研究通过实施全国性的种群基因组学调查和生态位建模方法，阐明了日本瓢虫的遗传进化模式和环境适应机制。这为定向培育高适应性的日本瓢虫品系提供了必要的遗传资源，促进了害虫防治从经验性和被动应对实践向预测性、精准化和预防性管理的重大转变，为可持续和生态友好的农业害虫防治策略奠定了坚实基础。
