沃尔巴克氏体宿主转移与欧洲蝴蝶生殖操纵基因座的广泛分布研究

这篇研究通过全基因组测序系统分析了18对欧洲蝴蝶姐妹种对中沃尔巴克氏体（Wolbachia）的分布、系统发育关系及表型效应。研究发现姐妹种间共享菌株的概率显著高于随机物种对，且菌株分化时间多早于宿主分化，支持水平转移（horizontal transfer）和渐渗转移（introgressive transfer）的主导作用。所有新组装的沃尔巴克氏体基因组均含有细胞质不亲和性（CI）和杀雄（MK）相关基因同源物，表明其具有生殖操纵潜力。该研究揭示了沃尔巴克氏体在近缘宿主间的高周转率，为理解内共生菌驱动宿主进化的机制提供了重要证据。

　　

沃尔巴克氏体宿主转移与生殖操纵基因座的广泛分布

摘要

沃尔巴克氏体（Wolbachia）作为节肢动物和线虫中最常见的细菌内共生菌，虽以垂直传播为主，但水平转移在进化时间尺度上频繁发生。本研究通过18对欧洲蝴蝶姐妹种对的全基因组数据，探讨了沃尔巴克氏体的存在、表型及系统发育关系。结果显示，姐妹种对共享菌株的概率高于随机物种对，且菌株相似性与宿主分化时间无显著相关性。菌株分化时间多早于宿主核基因组分化时间，支持水平转移而非共分化。此外，所有新组装的沃尔巴克氏体基因组均含有细胞质不亲和性（CI）和杀雄（MK）相关基因同源物，表明其潜在生殖操纵能力。这些发现揭示了沃尔巴克氏体在近缘宿主间的高周转率，挑战了以往基于远缘宿主研究的结论。

1 引言

沃尔巴克氏体属于α变形菌纲，主要通过卵细胞质垂直传播，但其分类学地位尚存争议。在节肢动物中，沃尔巴克氏体感染率约52%，常作为生殖寄生虫通过CI、MK、雌性化（feminization）和诱导孤雌生殖（parthenogenesis）等机制操纵宿主繁殖。尽管部分案例显示其具有病原防护或营养供给等互利作用，但其在宿主物种形成中的角色仍备受争议。宿主种群结构、菌株更替速率及传播机制（垂直、水平或渐渗转移）共同决定了沃尔巴克氏体与宿主的协同进化模式。

2 材料与方法

研究选取18对欧洲蝴蝶姐妹种对（涵盖5科44种），结合PacBio长读长和Illumina短读长测序数据，组装沃尔巴克氏体基因组。通过BlobTools和BUSCO评估基因组质量，利用Orthofinder和MAFFT构建系统发育树。采用随机配对分析（Random TaPas）和贝叶斯模型（MCMCglmm）评估菌株共享概率，并通过FastANI计算菌株相似性。CI/MK相关基因（如cifA/cifB和wmk）通过TBLASTN筛选，验证其潜在功能。

3 结果

3.1 基因组组装

成功获得12个高质量沃尔巴克氏体基因组，大小1.32–1.93 Mbp，GC含量约34%，BUSCO完整性≥90%。所有基因组均预测到CI和MK相关基因同源物，其中cifA/cifB多呈连续排列，而wmk分布较为分散。

3.2 系统发育与共系统发育分析

蝴蝶核基因组与沃尔巴克氏体系统发育树无显著拓扑一致性（Gini系数≈0.69），表明共分化证据不足。例如，Gonepteryx和Colias姐妹种对共享的菌株亦出现在其他属中，提示水平转移普遍存在。

3.3 感染分布

44种蝴蝶中23种（52%）检测到沃尔巴克氏体感染，样本感染率14%–100%。6对姐妹种对中双方均感染，其中3对共享菌株。感染分布与地理障碍（如山脉、岛屿）相关，如伊比利亚半岛的Brenthis hecate个体为唯一感染样本。

3.4 统计分析与分化时间比较

菌株共享概率与宿主分化时间和分布区重叠程度显著相关（pMCMC<0.05）。菌株间分化时间多早于宿主核基因组与线粒体分化时间，支持水平转移主导；仅少数案例（如Iphiclides）中菌株与线粒体分化时间一致，提示渐渗转移。

3.5 CI/MK基因分布

所有基因组均含CI候选基因（cifA/cifB），11个含MK候选基因（wmk）。基因拷贝数变异较大（如Colias hyale含6组cifA/cifB），可能与表型强度相关。

4 讨论

4.1 水平与渐渗转移的普遍性

菌株共享与宿主分化时间负相关，且范围重叠加剧此效应，表明生态接触促进菌株转移。分子钟校准显示沃尔巴克氏体周转率（约每2.1–6.1 My一次事件）高于孤岛研究估计，反映大陆区域宿主间菌株流动性更高。与寄生性相互作用一致，CI/MK基因的广泛存在支持沃尔巴克氏体作为生殖操纵者的角色。

4.2 CI/MK基因的进化意义

CI基因的保留可能驱动菌株通过水平转移入侵新宿主，而宿主抗性进化可减弱表型表达。高菌株周转与CI表型的结合，可解释蝴蝶中常见的线粒体-核基因组 discordance 现象。在保育背景下，沃尔巴克氏体对濒危种群的影响需引起关注。

5 结论

本研究证实沃尔巴克氏体在欧洲蝴蝶中通过水平和渐渗转移频繁更替，且携带生殖操纵相关基因。结果强调了内共生菌在近缘宿主间动态交换的进化意义，为理解物种形成与共生互作提供了新视角。