環(huán)境適應(yīng)性是進(jìn)化生物學(xué)中的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題。對(duì)于適應(yīng)性的遺傳機(jī)制,，仍存在許多亟待探討的科學(xué)問(wèn)題,。尤其是昆蟲(chóng)這一類群，具備相對(duì)較強(qiáng)的擴(kuò)散能力,。不同遺傳背景的地理種群之間是否存在廣泛的基因交流,？在擴(kuò)散過(guò)程中，自然選擇是否具有特定的時(shí)間尺度,？換句話說(shuō),，自然選擇是否會(huì)在不同的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生？此外,，適應(yīng)性基因的表達(dá)調(diào)控在環(huán)境適應(yīng)性中又起著怎樣的作用,？這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究。

近日,，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心,，以下簡(jiǎn)稱“基因組所”）蕭玉濤團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review，NSR）上發(fā)表了題為 "Extreme genetic signatures of local adaptation in a notorious rice pest, Chilo suppressalis" 的研究性論文,。該研究深入揭示了二化螟種群的演化及其溫度適應(yīng)性機(jī)制,，為其綠色防控提供了重要的遺傳基礎(chǔ)。

二化螟（Chilo suppressalis）屬于鱗翅目草螟科,，是我國(guó)水稻的主要害蟲(chóng)之一,。該害蟲(chóng)被農(nóng)業(yè)部列為國(guó)家一類農(nóng)作物害蟲(chóng)，對(duì)國(guó)家糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,。本研究綜合采用種群基因組學(xué),、分子遺傳學(xué)等技術(shù)手段，揭示了二化螟在全國(guó)范圍內(nèi)的群體結(jié)構(gòu),、種群演化歷史,、基因流動(dòng)，以及不同時(shí)間尺度上的選擇壓力和環(huán)境關(guān)聯(lián),。通過(guò)敲低該基因的表達(dá),，驗(yàn)證了受選擇的GSC基因表達(dá)量與溫度適應(yīng)性的關(guān)系。

該研究通過(guò)整合結(jié)構(gòu)變異（SVs）和單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)（SNPs）系統(tǒng)地解析了全國(guó)范圍內(nèi)二化螟的種群遺傳結(jié)構(gòu),，發(fā)現(xiàn)其種群可以分為五個(gè)遺傳群體：黑河種群（HE）,、海南種群（HN）、西南種群（SWC）,、華中種群（CSC）和華東-華北種群（EC）,。結(jié)果表明，二化螟是一個(gè)具有高度遺傳分化的物種,。進(jìn)一步評(píng)估遺傳分化情況后發(fā)現(xiàn),，除了HE種群以外，其他種群之間可能存在廣泛的基因交流（圖1）。HE和HN兩個(gè)種群被認(rèn)為是邊緣種群,，而SWC,、CSC和EC則是中心種群。

圖1 | 種群遺傳結(jié)構(gòu)

通過(guò)進(jìn)一步模擬其種群歷史,，研究發(fā)現(xiàn)HE種群的演化歷程顯著不同于其他種群,。此外，中心種群與邊緣種群之間存在不對(duì)等的基因流動(dòng),?；蛄鞯姆较蚴菑闹虚g種群向邊緣種群擴(kuò)散。而這種基因交流模式為其維持遺傳多樣性起著重要作用,。EEMS分析進(jìn)一步揭示了全國(guó)二化螟種群間基因交流的地理模式,。

圖2 | 種群演化歷史與基因流

通過(guò)在不同時(shí)間尺度上進(jìn)行選擇性清除分析，研究進(jìn)一步分類了選擇信號(hào)的類型,。結(jié)果顯示,，節(jié)律通路可能在早期適應(yīng)過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。通過(guò)環(huán)境關(guān)聯(lián)分析,，研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)烈受選擇壓力影響的GSC基因,。其單倍型變化的頻率與緯度高度相關(guān)（見(jiàn)圖3）,。

圖3 | 自然選擇與GSC基因溫度適應(yīng)性機(jī)制

通過(guò)對(duì)不同地理種群的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,，發(fā)現(xiàn)該基因的表達(dá)量與緯度存在相關(guān)性。進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)敲低該基因的表達(dá),，發(fā)現(xiàn)其耐寒能力得以增強(qiáng),。綜上所述，該研究提出了一種新的防控策略：首先,，通過(guò)監(jiān)測(cè)遺傳信息來(lái)預(yù)測(cè)該生物的擴(kuò)散或爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn),；其次，通過(guò)監(jiān)測(cè)適應(yīng)性基因及其相關(guān)通路的基因表達(dá),，再結(jié)合靶向農(nóng)藥技術(shù),，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的生態(tài)適宜型害蟲(chóng)防控。

基因組所博士后彭炎,、毛凱凱（現(xiàn)為廣西大學(xué)副教授）為論文的共同第一作者,，基因組所蕭玉濤研究員為論文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程以及深圳市高層次人才團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae221