利用基因驱动技术对入侵火蚁进行控制建模

《Advanced Science》：Modeling Control of Invasive Fire Ants by Gene Drive

基因驱动技术通过改变火蚁繁殖基因抑制其种群，考虑单王型与多王型社会结构差异及竞争物种影响。研究表明多王型种群更易被抑制，但单王型仍能低水平存续。改进驱动策略（显性不育、双靶点设计）及释放时机可提升效率。本地蚂蚁竞争显著增强抑制效果，但需数十年才能完全根除入侵种群。世代时间和社会结构动态是控制关键因素。

　　火蚁（*Solenopsis invicta*）作为一种具有高度侵略性和强烈攻击性的昆虫，长期以来对生态、农业和人类健康构成了重大威胁。其独特的生物学特性，如单倍体-二倍体性别决定系统和复杂的群体结构，使得传统控制手段难以有效应对。近年来，基因驱动技术作为一种新兴的生物控制方法，引起了广泛的关注。本文通过构建一个结合空间结构和火蚁生命周期特征的模型，系统分析了基因驱动在火蚁控制中的潜力，并探讨了如何通过改进策略提高其效果。

火蚁的生命周期中，群体结构分为两种形式：单后蚁群（monogyne）和多后蚁群（polygyne）。单后蚁群通常由一个生殖女王和工蚁组成，而多后蚁群则包含多个女王。这种差异不仅影响火蚁的繁殖方式，也对基因驱动的传播和效果产生重要影响。研究表明，多后蚁群的群体规模较大，但工蚁个体较小，整体竞争力较低，而单后蚁群虽然群体规模较小，但其工蚁更健康、更具竞争力，且能通过婚飞扩大其地理分布范围。因此，在控制火蚁时，单后蚁群往往比多后蚁群更具挑战性。

基因驱动是一种通过改变遗传信息的传递方式，使特定基因在种群中快速扩散的技术。在火蚁中，这种技术需要考虑其单倍体-二倍体的特性。例如，若目标基因位于影响雌性繁殖能力的区域，那么携带该基因的火蚁个体将无法繁殖，从而逐步减少整个种群的数量。然而，由于火蚁的群体结构和繁殖机制，基因驱动在火蚁中的应用面临一些独特挑战。例如，基因驱动可能在多后蚁群中更有效，因为其群体结构更容易受到基因改变的影响，而单后蚁群则可能因更高的繁殖效率和更长的女王寿命而表现出更强的抗性。

为克服这些挑战，研究者提出了几种改进策略。例如，主导性不育抗性基因驱动（dominant-sterile resistance drive）通过引入一个具有不育功能的基因，使得即使携带野生型基因的个体也会表现出不育，从而显著提高基因驱动的效率。此外，双靶点策略（two-target drive）利用多个引导RNA（gRNA）分别针对不同的繁殖相关基因，从而降低抗性基因的形成概率。这些策略在实验室中已经显示出良好的效果，但在野外应用时仍需进一步优化。

除了基因驱动本身，火蚁与其他物种的相互作用也可能影响其控制效果。例如，研究发现，原生蚂蚁（native ants）在火蚁入侵过程中可能起到抑制作用。如果在火蚁入侵初期释放基因驱动个体，原生蚂蚁有机会重新占据其原本的生态位，从而加速火蚁种群的减少。此外，基因驱动可能通过改变火蚁的群体结构，如从多后蚁群向单后蚁群转变，来增强其控制效果。这种转变可能使得火蚁更容易受到基因驱动的影响，从而减少其繁殖能力。

在模型分析中，研究者发现，即使在不完美效率的情况下，基因驱动仍能显著减少火蚁种群数量。然而，由于火蚁较长的世代时间，这种控制过程可能需要较长的时间跨度。在某些情况下，基因驱动可能需要几十年才能实现显著的种群减少，甚至完全清除。因此，长期的监测和管理策略是必要的。此外，模型还揭示了基因驱动在不同群体结构中的表现差异。例如，多后蚁群可能更容易被基因驱动控制，而单后蚁群则可能因更高的繁殖效率和更强的适应性而表现出更强的抗性。

研究还分析了多个潜在的基因驱动靶点，这些靶点位于影响雌性繁殖能力的保守基因区域。通过基因组学和生物信息学工具，如MUSCLE和CHOPCHOP，研究人员筛选出多个具有高保守性和适合gRNA多靶点策略的基因。这些基因的靶向性不仅有助于提高基因驱动的效率，还能降低抗性基因的形成概率。然而，基因驱动的设计和实施仍面临诸多挑战，包括如何在野外大规模释放携带驱动基因的个体，以及如何避免不必要的生态影响。

总体而言，尽管基因驱动在火蚁控制中可能需要较长时间才能显现效果，但其长期控制潜力仍然值得期待。通过优化驱动策略、利用原生物种的生态作用以及改进基因驱动的设计，可以显著提高火蚁控制的成功率。此外，基因驱动的应用还可能为其他入侵性昆虫的控制提供参考，如阿根廷蚁（*Linepithema humile*）和白蚁等。然而，这一技术的实施仍需克服实验室繁殖、基因编辑效率以及生态影响等现实问题。未来的研究需要进一步探索火蚁的群体行为和基因调控机制，以推动这一技术在实际中的应用。