杂交驱动的基因组可塑性增强草地贪夜蛾全球入侵能力

本期推荐：为揭示杂交如何促进草地贪夜蛾（FAW）的全球入侵机制，研究人员开展了种群基因组学分析。研究发现入侵种群通过水稻品系与玉米品系的杂交获得更高遗传多样性，鉴定出CYP450、FAR2等关键基因受到选择，并发现线粒体类型FAW-mR与FAW-mR具有互补的适应性策略。该研究为入侵生物的防控提供了重要理论依据。

　　

近年来，一种名为草地贪夜蛾（Fall Armyworm, FAW）的入侵性害虫正在全球范围内迅速扩散，对农业生产构成严重威胁。这种原产于美洲地区的迁徙性害虫自2016年首次在非洲出现后，短短数年间便迅速蔓延至亚洲及其他地区，在中国于2019年1月首次在云南省被发现后，现已扩散至全国范围。令人困惑的是，这种害虫为何能够如此快速地适应新环境并成功入侵？最新研究表明，杂交驱动的基因组可塑性可能是其成功入侵的关键因素。

在美洲地区，草地贪夜蛾种群通常分为遗传差异显著但形态难以区分的"水稻品系"和"玉米品系"，两者在寄主植物偏好和生理特性上存在差异。然而，在东半球发现的入侵种群被发现是这两个品系的杂交后代，且具有以玉米品系为主的核遗传背景。尽管已有研究对FAW的入侵机制进行了广泛探索，但杂交对其入侵潜力和适应能力的具体贡献仍不清楚。本研究系统分析了三个关键方面：杂交在维持遗传多样性中的作用、与环境适应相关的选择签名以及杂交介导的表型分化，从而揭示了这种害虫在原生地和新生境中表现出高入侵潜力的内在机制。

研究人员主要运用了种群基因组学分析（数据登录号：PRJNA591441和PRJNA1012289）、选择清除分析、线粒体单倍型监测以及结构建模等关键技术方法，样本来源包括美洲原生种群和亚洲、非洲的入侵种群。

杂交增强遗传多样性并促进快速适应

全球种群基因组学分析证实了FAW的美洲起源，并揭示了其通过非洲作为桥头堡快速扩散到亚洲的入侵路径。东半球的入侵种群经历了广泛的品系间杂交，引入了新的核遗传变异，因此这些种群表现出显著高于原生西部半球种群的基因组多样性水平（p<0.0001）。此外，入侵种群表现出独特的遗传结构和相对较低的区域内分化，表明引入后发生了快速的进化变化。重要的是，这些入侵种群并非来自单次引入事件，而是反映了多次引入后基因混合的复杂入侵情景。许多来自亚洲和非洲的个体携带杂交基因型，表明到达后发生了广泛的品系间杂交，这种杂交很可能增强了物种的适应潜力，促进了其在新环境中的成功建立和快速扩张。

与适应入侵环境相关的选择基因组签名

基因组分析强调了分化选择的作用，特别是在Z染色体上，驱动了水稻和玉米品系之间的遗传分化。对入侵过程中选择清除的进一步调查发现，参与环境应激反应、解毒和能量代谢的基因是自然选择的目标。值得注意的是，11个基因经历了强烈的选择清除，包括糖基水解酶家族1（LCT）和肿瘤蛋白D52样2（TPD52L2），这些基因分别与植物细胞壁降解和细胞分化有关。这些基因有利于发育和觅食，对昆虫成功入侵新地区至关重要。其他基因如醛脱氢酶（ALDH3A2）和细胞色素c氧化酶组装因子1（COA1）强调了解毒和有氧能量生产在入侵过程中的重要性。这些基因增强了它们处理多样化寄主植物和化学防御的能力，并增强了代谢能力，支持在多变和挑战性环境中的生存。

认识到非洲作为关键桥头堡，研究人员考察了从美洲到亚洲过渡期间的适应景观。70个基因显示出与氧化还原酶活性、水解酶功能、脂质代谢和外源物解毒相关的选择清除。值得注意的是，细胞色素P450（CYP450）、脂肪酰基辅酶A还原酶2（FAR2）、Pl3激酶调节亚基（PIK3R3）和肉碱棕榈酰转移酶2（CPT2）对繁殖、飞行、耐饥饿和滞育至关重要。CYP450酶氧化外源物，产生极性更强、毒性更低的代谢物用于排泄。FAR2将脂肪酰基辅酶A转化为脂肪醇，形成保护性角质层成分或对生存和快速范围扩展至关重要的信息素。虽然选择清除在最初跨大西洋入侵期间减少了这些基因的变异，但在亚洲扩张期间遗传多样性增加，可能反映了对多样化生态压力的适应。

杂交介导的线粒体-核互作和表型分化

入侵地区的杂交种群在相似的核遗传背景中拥有两种线粒体单倍型，称为FAW-mR（携带来自水稻品系的线粒体）和FAW-mC（携带来自玉米品系的线粒体）。2019年、2021年和2023年的纵向监测显示，FAW-mR在入侵早期阶段占主导地位（>99%），季节性迁移调查显示它在新引入的北部种群中仍占主导地位，而FAW-mR和FAW-mC在南部越冬地区达到平衡。这种清晰的生态模式表明，FAW-mR通过更快的飞行表现出优越的扩散能力，能够快速入侵和传播到新的栖息地。进一步的实验研究揭示了线粒体类型之间的分化性状：FAW-mR表现出更高的能量代谢、更快的翅膀拍打频率和更低的翼载——这些性状与增强的飞行性能和定殖能力相关。相比之下，FAW-mC个体表现出更快的发育和更高的繁殖力，这可能是由于更宽松的线粒体能量学和增加的繁殖投资。虽然FAW-mR对快速范围扩展仍然关键，但FAW-mC的繁殖优势在适宜气候中驱动种群持久性。这些模式创造了互补的适应性策略，共同扩大了害虫的入侵潜力。线粒体复合物I蛋白的结构建模鉴定出两个品系间18个一致的氨基酸差异。ND5中的一个关键替换（FAW-mR中的550F）引入了一个庞大的芳香侧链，促进了与心磷脂的π堆叠相互作用。这种结构变化和转录组分析被假设为增强ATP生产和紧凑的线粒体结构，为长距离迁移提供了能量基础。这些结果证明了杂交如何提供与当地环境压力相互作用时有效入侵和适应所需的原始遗传材料和表型创新。

研究结论表明，草地贪夜蛾的全球传播是由多次引入、广泛杂交和快速本地适应驱动的。这些进化机制赋予了增加的基因组可塑性和生态韧性，使FAW能够在多样化环境中茁壮成长。这些发现强调了持续基因组监测和区域特异性管理策略的迫切需求，以减轻这种入侵性害虫构成的日益增长的威胁。该研究不仅揭示了杂交在入侵生物适应性进化中的关键作用，还为开发针对性的防控策略提供了重要的科学依据，对保障全球粮食安全具有重要意义。该论文发表在《The Innovation》期刊，为入侵生物学研究提供了新的视角和方法学借鉴。