三倍体驱动孤雌生殖长角血蜱媒介能力与全球扩张的基因组学机制

《Communications Biology》：Triploidy drives vector capacity and expansion of the parthenogenetic tick Haemaphysalis longicornis

本研究针对孤雌生殖长角血蜱（Haemaphysalis longicornis）三倍体基因组缺失问题，通过整合超高深度HiFi长读长测序、Hi-C染色体构象捕获和Iso-Seq全长转录组技术，首次完成染色体水平的三倍体基因组单倍型解析。研究发现三倍体起源于同源多倍化事件而非种间杂交，鉴定出40个调控孤雌生殖胚胎发育的关键基因，揭示孤雌品系对立克次体（Rickettsia）和发热伴血小板减少综合征病毒（SFTSV）具有更高耐受性，其基因组有害突变积累显著低于两性品系。生态位模型预测孤雌品系具备全球扩张潜力，为蜱媒疾病防控提供新靶点。

　　

在蜱类研究领域，长角血蜱（Haemaphysalis longicornis）以其独特的生物学特性引发广泛关注。这种起源于东亚的节肢动物媒介，近年来已成功入侵大洋洲和美洲大陆，并在这些新领地表现出惊人的适应性——其种群完全由孤雌生殖的雌性个体构成。更令人惊奇的是，这些孤雌品系拥有稳定的三倍体遗传系统，能够不依赖受精过程独立完成胚胎发育。然而，由于三倍体基因组组装的技术瓶颈，科学家们一直未能揭示其遗传进化机制和生物学特性背后的奥秘。这一知识空白严重制约了我们对这种入侵性蜱媒扩散规律和病原传播能力的理解。

传统理论认为，孤雌生殖物种由于遗传多样性受限，往往面临有害突变积累和环境适应性下降的困境，最终走向灭绝。但孤雌生殖长角血蜱的地理分布持续扩张，明显违背了这一理论预期。其稳定的三倍体系统可能通过异常配子融合机制形成，而三倍体生物通常因减数分裂和配子发生障碍导致不育。理解三倍体蜱如何成功突破细胞、遗传和胚胎发育限制，不仅能为有性生殖和无性生殖模式的遗传基础提供新见解，还能揭示基因组多倍化如何影响基因表达调控，进而影响生殖模式、环境适应和免疫应答能力——这些都与长角血蜱的媒介效能密切相关。

针对这一科学难题，由曹务春教授领衔的研究团队在《Communications Biology》上发表了突破性研究成果。研究人员建立了实验室孤雌生殖长角血蜱种群，通过流式细胞术确认其荧光强度峰值（112）为两性品系（74）的1.5倍，证实了三倍体核型。采用覆盖度达95倍的PacBio HiFi长读长测序和300倍覆盖的Hi-C技术，获得210.42 Gb HiFi数据和660 Gb Hi-C数据，最终构建了包含三个亚基因组（A：2454.2 Mb、B：2438.4 Mb、C：2486.5 Mb）的染色体水平组装，contig N50达到11.06 Mb，BUSCO完整性达98.6%。结合Iso-Seq全长转录组数据，注释到28,591-28,735个基因，显著提升了可变剪接事件（5.5倍）和UTR元件的注释质量。

关键技术方法

研究采用野外采集的孤雌生殖长角血蜱建立实验室种群，选取第十代成虫进行基因组测序。通过流式细胞术进行倍性验证，利用Illumina短读长测序进行基因组调查，结合PacBio HiFi长读长测序（95×覆盖）、Hi-C染色体构象捕获（300×覆盖）和Iso-Seq全长转录组技术完成三倍体基因组组装与注释。病原体感染实验使用分离自野外蜱的黑龙江立克次体（Rickettsia heilongjiangensis）和发热伴血小板减少综合征病毒（SFTSV），通过显微注射感染蜱体后定量检测病原载量。群体遗传分析基于465个长角血蜱线粒体基因组，利用最大似然法构建系统发育树，结合环境因子数据通过Maxent模型预测全球适生区。

高质量三倍体基因组

研究团队成功解析了孤雌生殖长角血蜱的三倍体基因组特征。k-mer分析显示三个明显覆盖峰，证实其三倍体特性。与已发表的两性品系基因组（2554.5 Mb，contig N50 0.74 Mb，BUSCO完整性91.3%）相比，新组装的基因组在连续性和完整性上均有显著提升。Hi-C互作热图清晰展示了33条染色体在三套亚基因组中的空间组织模式。

可能起源于同源多倍化事件

系统发育分析表明，孤雌品系的三个亚基因组形成单系群，彼此相似度最高，而两性长角血蜱作为最近的外类群，支持孤雌三倍体起源于同源多倍化事件。分歧时间估算显示两者约在980万年前分化。三倍体基因组中"abb"型杂合位点（4.01%）占比为"abc"型（1.18%）的3.4倍，接近两性基因组"ab"型杂合度（3.60-4.18%），进一步支持三倍体可能源于单倍体基因组重复的假说。选择压力分析显示亚基因组A的Ka/Ks值中位数（0.254）显著高于B（0.243）和C（0.239），表明其受到更宽松的纯化选择。染色体共线性分析发现孤雌品系11号染色体完全源于两性2号染色体裂解，而7号染色体则由两性7号和11号染色体完全融合形成，这些结构变异相关基因富集于凋亡、脂肪酸合成和Hedgehog信号通路。

与孤雌生殖相关的基因

通过比较孤雌与两性品系卵巢转录组，研究发现7154个1:1:1:1同源基因在孤雌品系三个亚基因组中的表达量均显著低于两性品系。亚基因组A在吸血早期和饱血期的表达水平显著高于B和C，而差异表达基因的Ka/Ks比值显著高于非差异表达基因，提示表达差异和遗传突变积累可能驱动新功能化进化。关键发现是在细胞周期和卵母细胞减数分裂通路中，27个细胞周期相关基因和13个减数分裂相关基因在孤雌蜱卵巢特异性表达，其中包括CCNA、CCNB3、CDC20、CDK1和PLK1五个核心调控因子。这些基因在饱血期表达上调，可能通过调控减数分裂退出和胚胎发育启动，促进孤雌生殖完成。

更高的媒介能力

病原感染实验显示，孤雌品系对黑龙江立克次体和SFTSV的耐受性更强。立克次体在孤雌蜱体内增殖水平全程显著较高，SFTSV在感染前20天复制更快。感染后转录组分析发现，孤雌蜱响应立克次体感染产生1048个差异表达基因（459个上调，589个下调），响应SFTSV感染产生1120个差异表达基因（387个上调，733个下调），均多于两性品系（797和746个）。Toll和Imd通路分析显示，孤雌蜱特异性上调Tube（白细胞介素-1受体相关激酶4）和Bendless（E2泛素结合酶），同时下调JNKK（c-Jun N-末端激酶），这种复杂的免疫调节机制可能增强病原耐受性而非清除能力。宏基因组分析发现考克斯体（Coxiella）共生菌在孤雌蜱卵巢转录活性更高，可能协同增强其媒介能力。

更大的扩散潜力

基于465个线粒体基因组的系统地理学分析，将127个孤雌品系分为三个支系：支系1主要分布于中国西南部，支系2来自华中华东，支系3来自华东地区及其他国家，其中支系3是全球扩张的关键群体。地理遗传距离分析显示，在相同遗传距离范围内，孤雌品系分布范围是两性品系的4.3倍，扩散指数（1.8×10⁷）显著高于两性品系（9.5×10⁶）。基因组突变分析表明，孤雌品系每个亚基因组平均有害突变数（49个）显著低于两性品系（905个），非同义突变和同义突变占比分别为两性品系的5.6%和7.1%，支持其较低的突变积累速率。

表型比较发现孤雌蜱具有更大的背盾（4.16±0.16 mm²vs 3.68±0.25 mm²）、生殖孔（357.21±25.49 μm vs 321.21±27.52 μm）和卵粒（76.60±3.30 μg vs 72.35±3.56 μg），吸血期和卵孵化期更短，但孵化率较低（80.85±7.72% vs 89.01±7.72%）。生态位模型预测显示，两性品系适生区仅限于东亚，而孤雌品系适生范围覆盖东亚、大洋洲、北美及南美多国，展现巨大入侵潜力。

研究结论与意义

该研究首次完成了孤雌生殖长角血蜱染色体水平的三倍体基因组单倍型解析，揭示其同源多倍化起源机制。三倍体基因组通过亚基因组功能分化、细胞周期关键基因特异性表达和免疫调节网络重塑，赋予孤雌品系更高的生殖效率、病原耐受性和扩散能力。较低的有害突变积累和广泛的适生区预测，挑战了孤雌生殖必然导致遗传退化的传统认知。研究成果为理解媒介生物适应性进化提供了新范式，对蜱媒疾病传播风险评估和防控策略制定具有重要指导意义。