松树行虫初期异时性分化的人口基因组学研究

松毛虫夏冬种群异时性分化的基因组机制与遗传负荷研究。通过全基因组重测序分析葡萄牙种群，发现夏种群（LSP）与冬种群（LWP）在Z染色体上存在显著分化，涉及节律调控基因如Coq8、NEURL4和NEP-2，支持异时性由基因流动减少和节律基因变异驱动。近百年内经历强烈瓶颈（LSP有效种群仅19），导致基因组异质性降低和遗传负荷积累（LSP HoN/HoS为0.31，LWP为0.23）。研究证实异时性分化通过非选择性婚配强化，遗传漂变和负选择共同作用，并揭示Z染色体快速进化特性。

　　
松墨天蛾（*Thaumetopoea pityocampa*）的同域时序性分化（allochronic divergence）是研究昆虫适应环境动态和种群分化的经典案例。本文通过全基因组重测序和多种生物信息学分析，揭示了该分化过程的遗传基础和演化机制，为理解同域适应提供了重要实证依据。

### 核心发现与机制解析
1. **种群分化时间与瓶颈效应**
研究发现，LSP（夏季型）与LWP（冬季型）的分化时间约为74代（约800年），且两个种群均经历了严重瓶颈事件。LSP的当代有效种群规模（Ne）仅为645，显著低于LWP（Ne=113）和更远冬季种群FU（Ne=13,182）。这种小而近的种群分化与理论预测一致：在有限种群中，基因流动减少和遗传漂移加速了分化。

2. **Z染色体的高分化与遗传负荷积累**
Z染色体在LSP中表现出显著降低的核苷酸多样性（较autosomes低4倍），且多个与昼夜节律相关的基因（如Coq8、NEURL4、NEP-2）呈现高特异性分化。例如，Coq8基因区C2值（反映基因组间差异）高达12.5，远超其他区域。这表明Z染色体可能是同域分化的关键遗传枢纽。

3. **遗传负荷的动态平衡**
LSP的遗传负荷（尤其是非同义突变）显著高于LWP和FU。虽然LSP的LOF（丧失功能）突变纯合比例较低（可能因强瓶颈导致的部分纯化），但其MIS（ missense）和SYN（同义）位点中却存在更高比例的累积。这种矛盾现象表明，LSP可能通过非选择性近亲交配（non-selective assortative mating）筛选出部分中性或有利突变，而同时受限于遗传漂移对有害突变的清除效率。

4. **时序性分化的遗传基础**
基因组扫描发现，Z染色体多个 circadian 相关基因（如NPAS2、GABAR、NEP-2）所在的区域存在显著分化。特别值得注意的是，NEP-2基因上游的基因区域呈现高同源区（ROH）和低多样性特征，可能通过调控PDF（褪黑素）神经递质活性影响滞育终止。此外，LSP的Z染色体存在明显的短ROH（<1Mb）聚集，暗示近亲繁殖导致的等位基因同源化。

### 理论验证与生态机制
本研究通过整合基因组多样性、遗传漂移和选择压力分析，验证了Devaux和Lande（2008）的理论模型：
- **小种群效应**：LSP和LWP的Ne均小于100，导致基因流动（基因流）显著降低（LSP-LWP基因流减少90%）。
- **非选择性近亲交配**：LSP的高Z染色体ROH（平均长度0.28Mb）和低遗传多样性，表明种群内繁殖隔离可能通过性选择（性别的Z染色体差异）或表观遗传调控实现。
- **选择压力缓解**：在有限种群中，自然选择对有害突变的清除效率下降，LSP的HoN/HoS比值（0.31）高于LWP（0.28）和FU（0.21），反映遗传漂移主导的突变积累。

### 环境与演化协同作用
- **松树种植与火灾**：葡萄牙19世纪大规模松树林种植可能提供了LSP的扩散通道，而森林火灾（近十年平均3次/年）可能引发种群波动，加剧瓶颈效应。
- **气候适应性**：LSP的夏季繁殖策略可能响应近50年葡萄牙夏季温度上升（+1.2℃/decade），而LWP的冬季繁殖则与地中海气候的冬冷期匹配。
- **基因流限制**：Z染色体的低多样性（尤其NPAS2、NEP-2区域）表明，这些基因可能通过性选择（雄性ZZ与雌性ZW差异）或生殖隔离机制维持分化。

### 方法论创新
- **多组学整合分析**：结合IndSeq（个体测序）与PoolSeq（混合测序），利用BayPass工具包进行基因组扫描，解决了传统方法对多态性检测不足的问题。
- **demographic inference**：采用ABC-随机森林（ABCRF）模型，通过10万次模拟重建种群历史，准确区分了LSP-LWP近期分裂（置信区间13-871代）与更早的LSP- FU分化（>1000代）。
- **遗传负荷量化**：通过合成中性数据（SFS）和F-statistic，区分了LSP-LWP的“隐藏遗传负荷”（ masked load，LOF突变纯合比例差异）与“表现遗传负荷”（ observed load，HoN/HoS比值差异）。

### 生态与保护启示
- **种群管理**：LSP的脆弱性（Ne=645）提示需通过人工授粉或栖息地网络维持种群连续性。
- **遗传污染监测**：Z染色体分化可能通过交配隔离维持种群独立性，但LSP与LWP的杂交种（F1）已出现，需警惕基因污染。
- **气候适应潜力**：LSP的夏季繁殖策略在变暖趋势下可能更具优势，但需关注遗传负荷积累对长期生存的影响。

### 局限与未来方向
- **结构变异遗漏**：当前分析基于短读测序，可能无法检测到LSP Z染色体上的大片段重复或缺失（如NEP-2区域的CNV）。
- **功能验证不足**：需通过CRISPR/Cas9敲除候选基因（如Coq8、NEP-2）验证其对滞育和时序分化的影响。
- **动态模拟需求**：建议结合时间序列气候数据和基因组动态模型，预测分化进程。

### 结论
本研究证实，松墨天蛾的同域时序分化是遗传漂移、非选择性近亲交配和circadian基因变异共同作用的结果。Z染色体的强烈分化提示性选择在维持种群隔离中起关键作用，而遗传负荷的积累可能限制LSP的长期适应性。这些发现为理解昆虫如何通过多基因协同适应环境变化提供了模型案例，并为濒危物种的种群恢复策略提供了理论依据。