海藻蝇染色体倒位频率的平行渐变群与温度变异关联研究

《Heredity》：Parallel clines of chromosomal inversion frequencies in seaweed flies are associated with thermal variation

本研究针对染色体倒位超级基因在局部适应中的作用机制这一难题，以海藻蝇Coelopa frigida的Cf-Inv(4.1)倒位为研究对象，通过跨大陆梯度分析和实验验证，首次揭示了该倒位在北美和欧洲种群中形成平行纬度渐变群，并证实其通过生活史性状权衡参与温度适应性进化。研究成果为理解大型结构变异在平行适应中的进化机制提供了重要案例。

　　

在演化生物学领域，染色体倒位作为超级基因的重要形式，越来越被认识到在维持种内多样性方面的关键作用。这类结构变异能够将多个基因紧密连锁，形成协同适应的基因组合，被认为是在基因流背景下实现局部适应的理想遗传架构。然而，确定这些倒位选择背后的具体性状和功能机制仍然是一个重大挑战。

海藻蝇Coelopa frigida作为一种分布广泛的水生昆虫，携带多个大型多态性倒位。其中Cf-Inv(4.1)倒位在北美大西洋沿岸表现出明显的频率纬度渐变群，暗示其可能在生态气候梯度适应中发挥作用。更引人注目的是，前期细胞遗传学研究提示该倒位可能也存在于欧洲种群中，为研究染色体倒位在生态地理梯度平行适应中的贡献提供了理想模型。

为验证这一假设，研究团队开发了特异性分子标记进行核型分析，系统研究了北美和欧洲的自然种群与实验种群。他们证实该倒位在欧洲同样存在多态性，并且在不同大陆间形成了平行的纬度渐变群，为Cf-Inv(4.1)沿相似环境梯度受到自然选择提供了强有力的间接证据。

研究人员发现Cf-Inv(4.1)对不同温度条件下的卵至成虫存活率和繁殖力有显著影响，但通过过冷点和冷昏迷恢复时间测定未能确定其对耐寒性的影响。他们推测与Cf-Inv(4.1)相关的适合度可能由微妙的生活史差异所塑造，这些差异的相对优势取决于气候条件。

虽然实验方法为基因型-表型关联提供了见解，但选择作用于整体适合度，涉及复杂的性状组合。这对于连接数百个基因的倒位尤为相关。这种多基因特性也解释了为什么倒位经常参与对环境梯度的重复平行适应，正如在海藻蝇中展示的那样。

主要技术方法

研究团队开发了基于限制性内切酶的多态性分子标记，用于Cf-Inv(4.1)的基因分型。他们采集了北美6个和欧洲10个地理种群的样本，通过全基因组测序和滑动窗口PCA分析确定了倒位边界。实验方面，建立了纯合品系，在不同温度条件下(10℃、15℃、20℃、25℃、30℃)测定了卵至成虫存活率、发育时间、成虫寿命和雌虫繁殖力等适合度性状，同时通过过冷点和冷昏迷恢复时间评估了冷耐受性。

Cf-Inv(4.1)倒位在各大洲间共享

全基因组测序分析证实，欧洲C. frigida在与Cf-Inv(4.1)相同的基因组区域存在多态性倒位。滑动窗口PCA显示，在倒位推定边界内，个体形成三个明显簇群，包含来自两个大陆的样本，对应于Cf-Inv(4.1)的三种核型。遗传分化分析表明，两大洲间 within each arrangement of Cf-Inv(4.1) 的分化程度高于基因组平均水平，而 arrangements (NN vs SS) 之间的分化在两大洲都非常高。

ST，比较(C)欧洲SS与北美SS个体，(D)欧洲SS与欧洲NN个体，(E)欧洲NN与北美NN个体，(F)北美SS与北美NN个体。粉色区域对应北美检测到的Cf-Inv(4.1)位置。G 从0.8到10 Mb位置F_ST变异放大图，比较北美SS与NN。粉线代表候选基因的位置。'>

这种跨 arrangement 的高序列分化但跨大陆相似性使得开发简单诊断标记成为可能。在北美，诊断标记与PCA确定的倒位核型具有99%的一致性，在欧洲为84%。

Cf-Inv(4.1)倒位形成两个平行的纬度渐变群

Cf-Inv(4.1)倒位在欧洲显示出与纬度和年平均气温协同变化的频率渐变群，与北美情况相似。纬度与S arrangement频率之间的关系在两个大陆上都显著，北美斜率为-0.12，欧洲为-0.11。倒位频率与年平均气温的关系在两个大陆上也均显著。

Coelopa frigida表现出高冷耐受性，与Cf-Inv(4.1)无关

冷耐受性实验表明，C. frigida具有较低的冻结温度，平均过冷点(SCP)为-16℃，是典型的避冻物种。CCRT实验也表明其具有较高的耐寒性，在-5℃放置16小时后，仅2.8%的个体死亡，97.2%恢复。恢复时间范围为4.5至26.5分钟，平均12.2分钟。尽管对SCP测试了65个SS、104个SN和97个NN个体，对CCRT测试了41个SS、113个SN和89个NN个体，但Cf-Inv(4.1)的核型对SCP或CCRT均无显著影响。

卵至成虫存活率受温度和Cf-Inv(4.1)影响

温度对发育个体的存活率有显著影响。最大存活率在20℃(0.26±0.14)，当温度偏离此最适温度向更低或更高变化时，存活率下降。核型、大陆及其交互作用对存活率有显著影响。当考虑所有温度条件时，SS核型的总体存活率高于NN核型，但这隐藏了大陆间的差异。在北美，SS的存活率显著高于NN，而在欧洲观察到相反的效果。

发育时间主要取决于性别和温度

发育时间主要受温度影响，包含温度 alone 的模型解释了96.6%的方差。发育时间随温度升高而显著缩短。在所有温度条件下，雌性平均比雄性发育更快。总体上，Cf-Inv(4.1)倒位对发育时间没有显著影响，尽管在15℃检测到与性别和大陆交互作用的效应量很小。

成虫寿命主要取决于温度

成虫寿命分析显示Cf-Inv(4.1)没有影响，但温度有强烈影响。10℃下的寿命(34±14天)高于20℃(11±4天)，后者又高于30℃(5±1天)。大陆和性别也显著影响寿命，但事后配对比较表明效应非常微小。倒位核型间的成虫寿命无显著差异。

雌虫繁殖力在Cf-Inv(4.1) NN纯合核型中更高

雌虫繁殖力在倒位核型间差异显著，NN具有优势，与温度无关。首次产卵量主要受倒位核型影响。NN雌虫首次产卵平均144±44粒，而SS雌虫为97±37粒。倒位效应与大陆存在交互作用。平均产卵量也呈现相同趋势。雌虫一生中的产卵次数不受倒位核型显著影响，但受温度、大陆及其交互作用影响。

排除Cf-Inv(1)可能的混杂因素

除了大陆间不同的遗传背景，研究还控制了染色体1超级基因Cf-Inv(1)的频率。在北美，Cf-Inv(1)的频率在NN和SS品系间无显著差异，因此不太可能影响结果。然而，欧洲实验品系SS的Cf-Inv(1) a arrangement频率显著高于NN品系。由于Cf-Inv(1)的a arrangement会降低存活率但增加繁殖力，它可能混淆了在北美发现的一些Cf-Inv(4)效应，并部分解释了为何在欧洲未观察到繁殖力的显著差异以及存活率出现相反模式。

研究结论与意义

本研究通过多学科方法证实了海藻蝇Cf-Inv(4.1)倒位具有单一的进化起源，并在北美和欧洲形成了平行的纬度频率渐变群，为染色体倒位在平行适应中的作用提供了有力证据。实验结果表明，该倒位通过影响生活史性状（如存活率和繁殖力）参与温度适应性，但这些效应在不同大陆间存在差异，可能与遗传背景或其它倒位（如Cf-Inv(1)）的混杂效应有关。

尽管平行渐变群支持沿生态气候梯度的空间可变选择作用，但实验室实验揭示了在广泛温度条件下存在拮抗性适合度效应。这可能反映了倒位进化是由多个同时发生的交互过程驱动的，因为大型倒位包含数百个基因并影响广泛的表型。研究表明，Cf-Inv(4.1)可能介导了繁殖力（NN较高）和热胁迫耐受性（SS较高）之间的权衡，这种权衡的相对适合度值沿纬度温度梯度可能不同，导致平衡频率呈渐变分布。

该研究强调了在基因组时代背景下，结合野外观察和实验验证对于理解大型结构变异的进化动力学及其基因组内容演变的重要性。海藻蝇系统为研究染色体倒位在适应复杂环境梯度中的机制提供了一个有前景的模型，未来对每个arrangement相关等位基因变异的功能效应以及它们在大陆间的保守性或新颖性的深入研究，将有助于揭示平行适应的分子基础。