近日,，中國農(nóng)業(yè)科學院基因組所聯(lián)合中國農(nóng)科院植保所,，英國劍橋大學,、蘭卡斯特大學,，美國哈佛大學,，澳大利亞聯(lián)邦農(nóng)學院,、墨爾本大學以及華中師范大學,，在國產(chǎn)頂刊《創(chuàng)新（The Innovation）》上發(fā)表了題為“Adaptive evolution to the natural and anthropogenic environment in a global invasive crop pest, the cotton bollworm（棉鈴蟲應對自然和人為環(huán)境的適應性進化）”的研究論文,。該研究歷時10年,，綜合運用基因組學、群體基因組學,、分子遺傳學以及細胞生物學等技術,，明確了全球范圍內(nèi)棉鈴蟲的種群結構和擴散機制，從自然環(huán)境和人為因素兩方面對棉鈴蟲的適應性進化機制進行了系統(tǒng)解析,。研究成果對于昆蟲適應性機制的理解,、區(qū)域化害蟲防控策略的制定具有重要意義。鑒定的參與群體性狀形成的關鍵基因,，為害蟲的綠色防控提供了新靶標,。

‘物競天擇，適者生存’是自然界的叢林法則,。通過物種與自然之間,，物種間、物種內(nèi)的互相競爭,，適應者被選擇留存下來,。農(nóng)業(yè)害蟲在適應復雜自然環(huán)境的同時也進化出了應對人為活動的抵御策略,，如殺蟲劑抗性，寄主植物適應性等,，然而人們對于害蟲產(chǎn)生快速適應性進化背后的遺傳分子機制的認識仍不完善,。

據(jù)糧農(nóng)組織估計，每年有多達40%的全球作物產(chǎn)量因蟲害而損失,，造成的經(jīng)濟損失至少為700億美元,。隨著氣候變化和全球貿(mào)易量的加劇，害蟲的危害區(qū)域和分布范圍呈現(xiàn)全球入侵的態(tài)勢,。解析害蟲的種群遺傳結構對于認識害蟲的入侵風險性以及制定合理的區(qū)域防治策略具有重要意義,。棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)是鱗翅目夜蛾屬的世界性重大農(nóng)業(yè)害蟲，在亞歐非,、大洋洲等均有廣泛分布,，并進一步擴散到了西半球。

圖1 | 棉鈴蟲種群結構

本研究對采集自全球48個種群的503份樣本開展了深度重測序分析,，對世界范圍內(nèi)棉鈴蟲的群體結構進行了解析,。研究結果表明，全球棉鈴蟲主要分為非洲-歐洲群體,、大洋洲群體,、南亞群體以及我國的華南群體、華中-華北群體和西北內(nèi)陸群體,，這很大程度上源于自然地貌造成的基因交流受阻,，逐漸形成了群體結構,。遺傳結構分析證實近年入侵至南美洲的棉鈴蟲來源于非-歐大陸群體,。

不同區(qū)域內(nèi)的自然氣候和種植結構等存在巨大差異，使得棉鈴蟲群體成為研究適應性進化的理想模型,。通過群體的CLR分析發(fā)現(xiàn)多個與殺蟲劑抗性相關的靶標和代謝酶在不同群體中受到強烈選擇,，例如在澳大利亞菊酯抗性的棉鈴蟲群體中發(fā)現(xiàn)的CYP337B3變異,，除了在大洋洲群體受到強烈選擇外，在南亞和非洲群體中也受到選擇,，表明澳大利亞的棉鈴蟲群體在與南亞群體產(chǎn)生基因交流時,，將抗性等位基因滲入到南亞群體中，并在殺蟲劑的選擇下迅速固定下來,。對我國華北地區(qū)多個地點的抗藥性監(jiān)測結果表明,，華北群體的棉鈴蟲對多種殺蟲劑的敏感性顯著降低，通過群體間比較發(fā)現(xiàn)多個參與殺蟲劑代謝的解毒代謝酶和受體靶標在華北群體中受到選擇,，純合變異位點的比例呈現(xiàn)群體分布,。

針對棉鈴蟲對低溫的適應性，我們開展了環(huán)境GWAS分析,，鑒定到位于3號染色體上的一個SNP（c.1190G>A）與環(huán)境因子存在最強的關聯(lián),。該位點位于海藻糖轉運蛋白Tret1的4號外顯子上,，變異導致蘇氨酸變?yōu)楫惲涟彼帷伪缎虯主要分布在年溫差較大的新疆和華北地區(qū),。細胞生物學實驗證實G>A的變異并未影響Tret1的亞細胞定位,，但Tret1-A型的海藻糖轉運效率顯著提高。通過遺傳標記構建了Tret1-A型和G型的棉鈴蟲分離群體,，結果表明Tret1-A型蛹具有較低的過冷卻點,，并且在低溫脅迫下Tret1-A型蛹的海藻糖含量顯著高于Tret1-G型蛹。

圖2 | 棉鈴蟲Tret1基因變異

基因組所副研究員靳明輝,、英國劍橋大學博士生Henry North,、基因組所博士生彭炎,、博士后劉航瑋,、副研究員劉博、貝瑞潘瑞青和植保所博士后周燕為論文的共同第一作者,，基因組所蕭玉濤研究員,、植保所吳孔明研究員和英國劍橋大學Chris Jiggins教授為論文的共同通訊作者?；蚪M所周永鋒研究員,、崔鵬研究員參與了本研究。

該研究得到了中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程,、深圳市科技創(chuàng)新計劃的資助,。

原文鏈接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00082-6