巴西朗多尼亚州达林按蚊全基因组分析揭示种群遗传分化与杀虫剂抗性相关基因变异

《Communications Biology》：Genome-wide analysis of genetic diversity in Anopheles darlingi from Rond?nia State, Brazil

本研究针对巴西亚马逊地区主要疟疾媒介达林按蚊(Anopheles darlingi)，通过全基因组测序(WGS)对野生种群(n=20)和实验室品系(n=8)进行遗传多样性分析。研究发现两个种群存在显著遗传分化(FST=0.143)，鉴定出4个杀虫剂抗性相关基因(ace1, rdl, gste2, vgsc)的7个非同义SNPs，并发现细胞色素P450基因家族存在高频复制变异。该研究为理解达林按蚊的杀虫剂抗性机制和种群适应性进化提供了重要基因组学证据。

　　

在巴西亚马逊雨林的深处，一种名为达林按蚊(Anopheles darlingi)的蚊子正悄然成为疟疾传播的主要推手。这种蚊子不仅对疟原虫高度易感，还能在低寄生虫密度下维持传播链，更令人担忧的是，它们展现出惊人的环境适应能力——能够快速占领城市化进程中的新生境和采伐迹地。2023年，美洲报告了约50万疟疾病例，其中巴西占比最高(约16.3万例)，且恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)病例比例呈现上升趋势，这对孕妇和儿童群体构成了严重威胁。

巴西的疟疾防控主要依赖室内滞留喷洒(IRS)和杀虫剂处理蚊帐(ITNs)两大策略，其中拟除虫菊酯类杀虫剂是防控按蚊的主力军。然而，与非洲的冈比亚按蚊(Anopheles gambiae)等物种相比，科学界对达林按蚊的杀虫剂抗性机制了解甚少。在玻利维亚、哥伦比亚等周边国家，已发现达林按蚊对拟除虫菊酯、氨基甲酸酯和有机氯类杀虫剂产生抗性，而巴西由于缺乏系统的抗性监测网络，其实际抗性状况一直成谜。

杀虫剂抗性通常通过靶标位点突变和代谢抗性等机制产生。电压门控钠通道基因(vgsc)、乙酰胆碱酯酶基因(ace1)、谷胱甘肽S-转移酶基因(gste2)和γ-氨基丁酸受体基因(rdl)是四大关键抗性基因。在冈比亚按蚊中，V402L、L995F等vgsc基因突变与拟除虫菊酯抗性密切相关，而达林按蚊中尚未发现这些经典突变，暗示其可能通过细胞色素P450等代谢酶基因的拷贝数变异(CNV)或过表达产生抗性。为揭开这一谜团，来自伦敦卫生与热带医学院和巴西奥斯瓦尔多·克鲁兹基金会的研究团队对朗多尼亚州的两种达林按蚊种群展开了全基因组测序分析，研究成果发表在《Communications Biology》上。

研究人员采用全基因组测序(WGS)技术，对28个样本（20只野生蚊来自坎代亚斯-杜雅马里，8只实验室品系蚊源自波多韦柳）进行测序，平均测序深度8.99×。通过Trimmomatic进行质控，BWA软件比对至AnoDar_H01参考基因组，GATK进行变异检测，使用ADMIXTURE、PLINK等工具分析遗传结构，scikit-allel计算选择信号，DELLY检测结构变异。

全基因组序列数据

测序共获得1,539,646个高质量变异位点，野生种群变异数量(1,489,593)显著高于实验室品系(535,667)，反映了实验室种群的遗传多样性降低。

达林按蚊实验室品系与野生种群遗传分化

群体遗传分析显示，当祖先成分数K=2时，实验室品系与野生种群形成明显分化。主成分分析(PCA)进一步证实了这种遗传差异，特别是在2号、3号和X染色体上。两个种群间的固定指数(F_ST)中位数为0.143，显著高于非洲冈比亚按蚊种群间的分化程度，表明达林按蚊种群间存在较强的遗传隔离。

杀虫剂抗性相关基因突变

在ace1、rdl、gste2和vgsc四个关键抗性基因中鉴定出7个非同义单核苷酸多态性(SNP)，包括vgsc基因的Pro523Leu突变。尽管未发现与其他按蚊物种相同的经典抗性突变，但这些新突变可能具有功能意义。此外，在129个潜在抗性相关基因中共发现442个非同义突变。

核苷酸多样性

野生种群的核苷酸多样性(π=0.002)显著低于非洲冈比亚按蚊参考种群(π=0.015)，可能与样本量有限有关。关键抗性基因的多样性比较显示，达林按蚊的遗传变异水平普遍较低。

达林按蚊基因组中的自然选择

通过整合单倍型积分(iHS)和Garud's H12统计量，在野生种群中检测到103个受定向选择的基因座，其中57个为蛋白质编码基因，但未发现与杀虫剂抗性明确相关的选择清除。群体间比较(XP-EHH)显示，实验室品系中有6个基因受到显著选择。Tajima's D分析表明实验室种群可能经历了瓶颈效应，而野生种群呈现扩张趋势。

结构变异

发现148个倒位、54个缺失、27个重复等结构变异，其中细胞色素P450基因家族(如cyp4c3、cyp4d2、cyp6a13等)存在高频基因重复现象。这些基因重复可能导致代谢酶活性增强，与杀虫剂抗性发展密切相关。

这项研究首次对巴西朗多尼亚州的达林按蚊进行了全基因组水平的遗传特征解析。研究发现，尽管地理距离不足100公里，野生种群与实验室品系间存在显著的遗传分化，特别是在2号染色体上涉及神经信号传导的基因区域显示高分化，提示这些种群可能在不同选择压力下进化。尤为重要的是，研究虽未检测到已知的靶标抗性突变，但发现了多个抗性相关基因的新突变以及细胞色素P450基因家族的重复变异，为代谢抗性机制提供了基因组证据。

这些发现对巴西乃至南美洲的疟疾防控具有重要启示。达林按蚊种群间的高遗传分化意味着抗性基因可能独立起源并快速扩散，需要建立更精细的区域化监测网络。鉴定出的新型SNP和基因重复变异为开发分子检测工具提供了候选靶标，未来可通过基因型-表型关联分析验证其功能。此外，细胞色素P450基因的频繁重复现象提示代谢抗性可能在达林按蚊中扮演关键角色，这为研发新型杀虫剂和轮用策略指明了方向。

随着亚马逊地区环境变化的加剧，理解媒介蚊子的适应性进化机制变得愈发紧迫。本研究建立的基因组数据库和分析方法为持续监测达林按蚊的进化动态奠定了坚实基础，将助力于制定更具针对性的疟疾消除策略，向着世界卫生组织提出的2030年疟疾发病率降低90%的目标迈进。