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气候变化威胁变温动物生存，其温度适应的进化重复性与基因组预测备受关注。本研究以种子甲虫（Callosobruchus maculatus）为对象，开展多遗传背景的热 / 冷适应进化 - 重测序实验，发现高温下表型进化更快且更重复，但基因组水平重复性较低，为气候适应的基因组预测提供新认知。
全球气候变暖正以前所未有的速度改变着地球生态系统，对依赖环境温度调节生理功能的变温动物而言，能否通过进化适应温度变化关乎种群存续。然而，进化过程是否具有重复性？基因组数据能否预测物种对气候变暖的适应潜力？这些问题不仅是进化生物学的核心科学问题，更是指导生物保护和生态管理的关键依据。目前，多数研究表明表型水平的进化重复性较高，但基因组层面的机制尚不明晰，尤其是高温和低温环境下适应过程的差异缺乏系统性研究。
为填补这一知识空白，来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）和斯德哥尔摩大学（Stockholm University）等机构的研究团队，以种子甲虫（Callosobruchus maculatus）为模型生物，开展了一项结合表型与基因组数据的实验进化研究。该研究通过对巴西、美国加利福尼亚和也门三个地理种群的甲虫进行高温（35°C）和低温（23°C）适应实验，分析了 7 个生活史性状的表型进化轨迹及全基因组单核苷酸多态性（SNPs）的频率变化，旨在揭示温度适应的进化重复性机制及基因组预测的可行性。研究成果发表在《Nature Ecology & Evolution》。
研究采用了以下关键技术方法：
- 实验进化与表型分析：将三个遗传背景的甲虫种群在实验室条件下适应 29°C 约 200 代后，分别转移至 23°C 和 35°C 进行实验进化，每背景设 2 个重复系，在特定世代测量包括 Lifetime Reproductive Success（LRS）、成虫体重、发育时间等 7 个表型性状。
- 全基因组重测序（Pool-seq）：对 12 个进化系及其 6 个祖先种群进行基因组测序，检测等位基因频率变化，鉴定受选择的 SNPs 和基因。
- 多元统计与基因组分析：通过主成分分析（PCA）、几何角度计算（衡量进化向量平行性）、曼哈顿图和基因本体（GO）富集分析，评估表型和基因组进化的重复性及功能富集。
结果解析
1. 高温下表型进化更快且更平行
高温适应系（35°C）的表型进化速率显著高于低温系（23°C），平均每代表型变化幅度为 0.87±0.14 vs. 0.5±0.07。高温下的表型变化向量间平均夹角为 39.32°±19.16°，显著小于低温下的 67.42°±23.3°，表明高温环境诱导的表型进化具有更高的平行性。尽管低温系整体变化幅度较小，但其种群间表型差异呈现收敛趋势，可能与祖先种群的分化背景有关。
2. 基因组水平的适应机制呈现温度依赖性
热适应的基因组响应具有高度多基因特征，涉及数千个 SNPs，但不同遗传背景间共享的受选位点极少。低温适应系中，296 个基因在不同背景间重复受选，而高温适应系仅 51 个基因共享，且基因集重叠率（Jaccard 指数）低温系（0.33±0.06）显著高于高温系（0.21±0.05）。进一步分析表明，高温适应更多依赖背景特异性的私有等位基因，而低温适应涉及更多跨背景的共有基因，如参与细胞黏附（GO:0007156）和氧化还原过程的基因。
3. 上位效应与遗传冗余削弱高温下的基因组可预测性
尽管高温表型重复性高，但其基因组变化的平行性（平均夹角 85.48°±7.8°）与低温（83.42°±6.7°）无显著差异。通过模拟和遗传分析排除遗传漂变和祖先多态性的影响后，研究推测高温下更强的上位效应（epistasis）可能是主因。热力学模型显示，高温会加剧蛋白质稳定性的遗传互作，导致不同背景中受选位点的功能等效性降低。此外，基因组预测表明，同一遗传背景内的 SNPs 可有效预测表型适应（相关系数 r=0.88），但跨背景预测失效（r=0.22），揭示了基因组预测的地理局限性。
结论与意义
本研究首次在表型和基因组双层面揭示了温度适应的进化重复性机制，发现高温环境通过强选择压力促进表型趋同，但上位效应和遗传冗余导致基因组路径高度特异。这一现象挑战了 “强选择增强进化可预测性” 的传统认知，表明气候变暖下基于基因组数据预测物种适应潜力可能因种群遗传背景而异。研究结果对生物保护策略具有重要启示：跨地理种群的适应性预测需谨慎对待基因组数据的局限性，而整合多组学和实验进化方法将有助于提升预测准确性。未来研究可进一步探索上位效应的分子机制，为气候变化下的物种存续提供更可靠的理论支撑。
