种群结构与巢群成员关系如何塑造熊蜂病原体模式：岛屿与大陆种群的遗传多样性、密度及病原传播动态研究

《Molecular Ecology》：How Population Structure and Nest Membership Shape Pathogen Patterns in Bumble Bees

本研究通过微卫星标记分析英国和法国岛屿与大陆地区的两种常见熊蜂（Bombus pascuorum 和 B. terrestris）种群结构，揭示岛屿隔离导致遗传分化（FST），低遗传多样性（He）并未降低病原体流行率，而高巢密度显著提升Apicystis bombi（A. bombi）、Crithidia bombi（C. bombi）及病毒（DWV-B、SBPV）感染风险。巢内成员病原谱相似性表明社会结构对传播的影响，为野生传粉昆虫疾病管理提供关键见解。

　　

2 Materials and Methods

2.1 Sample Collection and DNA Extraction

研究于2021年至2022年在英国和法国的多个岛屿及大陆沿海地区采集了两种常见熊蜂（Bombus pascuorum 和 B. terrestris）的工蜂样本，分别涵盖216只B. pascuorum和573只B. terrestris（2021年），以及988只B. pascuorum和1163只B. terrestris（2022年）。样本来自爱尔兰海、凯尔特海、英吉利海峡及布列塔尼海岸的7个岛屿和4个大陆站点，包括阿伦岛（Arran）、马恩岛（Isle of Man）、根西岛（Guernsey）等。采样点覆盖半自然和郊区生境，蜜蜂采集后经冷藏并转运至实验室于-80°C保存。通过物种特异性PCR排除形态相似的B. lucorum个体，确保后续分析准确性。

2.2 Genotyping

使用12个微卫星位点（Reber Funk et al. 2006; Wood et al. 2015）进行基因分型，通过毛细管电泳和Geneious Prime软件进行等位基因评分。利用Micro-Checker检测无效等位基因和评分错误，最终B. pascuorum使用9-10个位点，B. terrestris使用11-12个位点。样本按年份和种群分组，大岛屿采样点按距离（>3 km）划分以确保生态独立性。

2.3 Colony Reconstruction

基于单交配蜂后假设，使用COLONY软件进行全同胞重建，以估计有效种群大小（N_e）。后验概率≥0.8的姐妹群被接受，用于下游分析。最终涵盖919个B. pascuorum巢和1181个B. terrestris巢。

2.4 Population Structure

为消除家族结构干扰，每个巢随机选取一个样本分析遗传结构。使用adegenet和poppr包计算期望杂合度（H_e）、近交系数（F_IS）和等位基因丰富度（AR），并通过AMOVA和Mantel检验评估种群分化与地理距离的关系。采用DAPC和STRUCTURE进行聚类分析，通过ΔK和后验概率确定最优遗传簇数量。

2.5 Colony Density

基于遗传标记重捕获模型（capwire包）估算巢密度，结合物种特定觅食范围（B. pascuorum: 601 m, B. terrestris: 1040 m）计算采样面积。岛屿整体采样时使用全岛面积。

2.6 Pathogen Prevalence

筛查9种病原体，包括4种RNA病毒（BQCV、DWV-A、DWV-B、SBPV）和5种寄生虫（Apicystis bombi、Crithidia bombi、Nosema apis、N. bombi、N. ceranae）。通过RT-PCR和凝胶电泳检测，阳性对照确保准确性。DWV-A和N. apis未检出，BQCV罕见，排除后续分析。

2.7 Effects of Population Structure on Pathogen Prevalence

使用GLMM/GLM分析巢密度、遗传多样性（H_e）、纬度、Varroa存在和其他病原共感染对流行率的影响。岛屿作为随机效应，通过似然比检验和DHARMa验证模型适用性。

2.8 Pathogen Dissimilarity in Sisters and Unrelated Individuals

通过汉明距离计算巢内姐妹与无关个体间病原谱差异，使用累积链接混合模型（CLMM）分析配对类型对相似性的影响。

3 Results

3.1 Population Structure

B. pascuorum显示中度至高度种群分化（F_ST=0.074–0.285），岛屿种群（除阿伦岛外）与大陆分离，AMOVA表明25.82%变异来自种群间。B. terrestris分化较弱（F_ST≤0.054），但马恩岛和锡利群岛显著分离。无地理距离与遗传距离相关性（B. pascuorum: r=-0.060, p=0.608），但排除分化岛屿后B. terrestris显示显著隔离-by-距离（r=0.620, p=0.001）。STRUCTURE聚类揭示B. pascuorum形成5个遗传簇，B. terrestris形成4个，对应地理隔离模式。

3.2 Bumble Bee Colony Density and Genetic Diversity

巢密度两物种无差异（B. pascuorum: 23.6±2.12 nests/km2, B. terrestris: 21.6±3.21 nests/km2）。B. terrestris杂合度更高（H_e=0.766±0.001 vs. 0.568±0.019, p<0.001）。B. pascuorum岛屿H_e与大陆距离负相关（r=-0.866, p<0.001），B. terrestris H_e与纬度负相关（r=-0.655, p=0.004）。巢密度与H_e无相关性，但等位基因丰富度与H_e强烈相关（r>0.82）。

3.3 Pathogen Prevalence

A. bombi和C. bombi在所有岛屿检出，流行率范围分别为0–86%和0–100%。N. bombi最常见，但乌尚岛（Ouessant）和奥尔德尼岛（Alderney）罕见。病毒病原体SBPV和DWB-B广泛存在，阿伦岛SBPV流行率高达100%。Varroa存在与DWV-B和A. bombi正相关。

3.4 Effects of Population Structure on Pathogen Prevalence

巢密度增加提升A. bombi（两物种）、C. bombi（B. terrestris）、DWV-B（B. terrestris）和SBPV（B. pascuorum）感染风险。遗传多样性（H_e）未显示保护作用，反而与SBPV（两物种）和DWV-B（B. pascuorum）正相关。Varroa存在增加A. bombi和DWV-B流行率，但降低N. bombi（B. pascuorum）。纬度与SBPV正相关。病原共感染（如N. bombi与C. bombi）显著互作。

3.5 Pathogen Dissimilarity in Sisters and Unrelated Individuals

B. terrestris姐妹巢病原谱相似性显著高于无关个体（CLMM: β=-0.453, p=0.003），主要由C. bombi（OR=1.6, p=0.009）和N. bombi（OR=3.5, p<0.001）驱动。B. pascuorum无显著差异。

4 Discussion

4.1 Islands Act as Barriers to Gene Flow in Bumble Bees

水域隔离导致B. pascuorum强烈遗传分化，B. terrestris因较高扩散能力（蜂后平均扩散3 km）和人为迁移（商业蜂群贸易）保持较高连通性。阿伦岛（距大陆5 km）与大陆聚类，而更远岛屿（≥10 km）形成独立簇，表明地理距离与生境异质性共同塑造种群结构。

4.2 Does Genetic Diversity Affect Pathogen Prevalence?

低遗传多样性岛屿未显示更高病原流行率，可能与多宿主病原体（如DWV-B、A. bombi）的稀释效应相关。宿主水平生物多样性（如传粉昆虫群落组成）可能比物种内遗传多样性更能预测流行率。气候因素（纬度）和采样时间混淆了部分关联。

4.3 Is Host Density Driving Pathogen Prevalence?

高巢密度正相关于A. bombi、C. bombi及病毒流行率，支持密度依赖传播理论。但密度估算受觅食范围与资源可用性影响。Varroa作为病毒载体显著提升DWV-B风险，且与A. bombi传播可能通过共同地理因素耦合。商业蜂群引入与生境管理（如野花田）可能改变宿主密度与病原动态。

4.4 Does Nest Membership Affect Pathogen Profiles?

B. terrestris巢内成员病原相似性表明社会结构与遗传相似性促进病原传播，尤其对于C. bombi和N. bombi等具有基因型-宿主特异性互作的寄生虫。巢内高接触率与共享环境可能强化此效应，但野外群体的采食行为与共感染也可能贡献相似性。

5 Conclusion

岛屿隔离导致熊蜂种群遗传分化，但低遗传多样性未必然增加病原风险。巢密度而非遗传多样性是病原传播的关键驱动因子，尤其对于多宿主病原。社会结构（巢内成员相似性）显著影响B. terrestris病原谱，强调巢环境在传播中的重要性。保护孤立种群需关注遗传 Resilience 与生境管理，以 mitigate 环境压力与病原传播风险。