北美中纬度地区致倦库蚊与尖音库蚊杂交种范围扩张及其对西尼罗病毒传播风险的生态进化影响

本研究针对北美中纬度地区重要西尼罗病毒（WNV）媒介——致倦库蚊（Cx. quinquefasciatus）与尖音库蚊（Cx. pipiens）杂交带北扩现象，通过Ace2 PCR assay对26个地理种群进行基因分型，揭示杂交指数（H-index）存在显著纬度梯度与东西部区域差异，证实气候过滤（如滞育性状）驱动杂交带动态，为媒介监测和WNV传播风险评估提供关键数据。

　　

在北美大陆，西尼罗病毒（West Nile virus, WNV）的传播动态与两种关键蚊媒的分布密切相关：主要分布于高纬度地区的尖音库蚊（Culex pipiens）和占据南方地区的致倦库蚊（Culex quinquefasciatus）。这两个亲缘关系密切的物种在约北纬33°至36°之间形成一个广阔的杂交带，成为了研究物种接触、基因流动和疾病传播风险的天然实验室。致倦库蚊因其更倾向于叮咬鸟类和哺乳动物（包括人类），被认为是更有效的“桥梁媒介”，能有效地将病毒从鸟类 reservoir（储存宿主）传播给人类。因此，致倦库蚊及其杂交种向北扩张，可能会显著增加温带地区WNV从鸟类溢出到人类的风险，成为一个紧迫的公共卫生问题。

然而，这个杂交带的边界并非静止不变。有越来越多的证据表明，致倦库蚊的等位基因正在向北扩张，同时尖音库蚊的基因也向南渗入（introgression），导致次级接触区（zones of secondary contact）变得日益模糊和复杂。这种动态变化背后的驱动因素、限制条件及其后果，人们却知之甚少。一个主要的挑战在于，尖音库蚊复合体的成员形态极其相似，尤其是在同域分布区，传统的形态学鉴定方法难以准确区分纯种种和杂交种。尽管有多种分子技术（如微卫星、CO1、Ace2基因测序乃至全基因组标记）被应用于此，但迫切需要一种成本效益高、可大规模应用的方法来精确绘制当前的分布图，并追踪杂交带的时空变化。

为了应对这一挑战，由Norah Saarman等人组成的研究团队在《One Health》上发表了一项重要研究。他们利用一种经过验证的、基于乙酰胆碱酯酶2（acetylcholinesterase 2, Ace2）基因的PCR检测方法，对来自北美大陆26个地点的蚊虫标本进行了大规模分析，旨在更新致倦库蚊和尖音库蚊杂交种的地理分布，揭示杂交带的动态变化，并评估其对WNV传播风险的潜在影响。

研究人员通过与各地蚊虫防控机构合作，在2023-2024年间采集了成虫样本，并利用形态学钥匙初步鉴定为尖音库蚊复合体。随后，样本被送往合作公司进行IDX系统成像，作为开发生物形态人工智能（AI）识别工具项目的一部分。最终，利用Ace2 PCR assay对样本进行基因分型，区分纯种尖音库蚊、纯种致倦库蚊和杂合子杂交个体。每个采样点都计算了杂交指数（H-index），其值从0（全为致倦库蚊）到1（全为尖音库蚊），中间值反映了混合的程度。研究还整合了历史上的分布数据，并利用已有的物种分布模型（Species distribution models, SDMs）来预测栖息地适宜性和潜在的杂交区域，计算了每个位点的预测杂交指数（H-index_pred）。通过统计模型分析了杂交指数的空间（纬度、地理区域）和时间变化，并检验了各站点Ace2位点的基因型频率是否遵循哈迪-温伯格平衡（Hardy-Weinberg equilibrium, HWE），以推断随机交配和种群结构情况。

3.1. 基因型组成、杂交指数和HWE

研究结果显示，观测到的基因型组成和杂交指数与物种分布模型（SDM）的预测基本一致，杂交最常出现在预测的重叠区。然而，在致倦库蚊预期分布范围以北和尖音库蚊预期分布范围以南也检测到了基因渗入，且杂交水平在邻近地点间存在显著差异，表明存在复杂的局地动态。

3.2. 杂交的时空模式

对新旧数据的综合分析揭示了强烈的空间结构和范围随时间扩张的证据。与1960年以前的记录相比，当代（2020-2024年）的记录显示在高纬度和低纬度都出现了新的杂交现象，表明杂交带明显拓宽。这种扩张伴随着不同区域内部和区域之间混合水平的显著空间异质性。

空间和时间线性模型表明，东西向的空间结构是比采样时间更强、更一致的预测因子。地理区域解释了杂交指数变异的更大比例（调整R2 = 0.66–0.69）。空间模型表明，杂交指数与纬度的关系在东海岸和中部地区最强，而在西海岸最弱。山区/西南地区呈现出一种中间模式，但尽管采样密度高，从致倦库蚊主导到尖音库蚊主导的种群过渡表现出明显的斑块状分布。时间效应更为微妙，主要在最近几十年中可检测到。

4.1. 大空间尺度的广阔生态梯度与杂交带结构

结果显示了强烈的纬度 ancestry（祖先成分）模式，这与主流理论一致，即冬季条件施加的相反选择压力维持了尖音库蚊-致倦库蚊杂交带在大空间尺度上的边界。纬度本身解释杂交指数变异的能力与预测的栖息地重叠一样好或更好，强调了气候因素在塑造基因流中的重要性。

一个关键的生态屏障被认为是它们的越冬生物学：尖音库蚊进入滞育（diapause）以在温带地区生存，而致倦库蚊缺乏滞育能力，其分布受限于亚热带和热带气候。因此，滞育一直被提议是一个关键的选择屏障。

4.2. 不同接触带的东西部变异

除了大尺度的生态梯度，结果还揭示了北美各地杂交带结构的独特区域模式。区域身份在完整模型中解释了杂交指数变异的很大一部分（调整R2 = 0.66–0.69），反映了显著的东西部差异。

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  东海岸：杂交遵循陡峭的纬度梯度（R2 = 0.82），纯致倦库蚊种群存在于佛罗里达州，杂交指数向北急剧增加。
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  中部地区：杂交过渡同样具有强烈的纬度信号（R2 = 0.66），但更宽阔和分散，杂交种在更北和更南的地方都被检测到。
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  山区/西南部：杂交过渡仍然显示出纬度信号（R2 = 0.62），但与东海岸和中部地区相比，它狭窄而 abrupt（ abrupt），尽管采样密度相对较高。犹他州盐湖城等地的杂交指数值呈斑块状，表明强烈的局部生态过滤。
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  西海岸：杂交范围广泛且空间分散，纬度信号最弱（R2 = 0.37）。沿海冬季温度的缓和使得致倦库蚊能够通过中央山谷向北持久存在，直至华盛顿州中部。

HWE检验显示，除西海岸外，所有区域水平（zone-level）都存在显著偏离（p < 0.001），而单个站点通常符合HWE。这表明在区域尺度上存在种群结构和非随机混合，西海岸较温和的气候可能减轻了非随机交配的强度。

4.3. 随时间的变化：从1940年代至今

尽管空间结构是最强的预测因子，但也观察到了时间趋势。与1960年以前的记录相比，当代数据显示杂交同时向南北方向扩张。在华盛顿州和犹他州检测到致倦库蚊等位基因，在德克萨斯州和路易斯安那州检测到尖音库蚊等位基因，表明基因渗入到了曾经由纯亲本类型主导的地区。

该研究得出结论，区域杂交带结构是由两个关键过程的相互作用产生的：大尺度的环境梯度（特别是纬度气候梯度及其对滞育的选择）和细尺度的生态异质性及历史偶然因素。大尺度梯度产生了可预测的杂交带边界，而生态异质性和历史因素则产生了镶嵌模式和地理变异。通过整合新数据和历史数据，研究还记录了表明杂交带扩张的时间动态，混合现在向北延伸到太平洋西北部和犹他州北部，向南延伸到德克萨斯州和路易斯安那州等较温暖的地区。

这些发现具有重要的深远意义。首先，它们强调了在气候变化和城市化的背景下持续进行媒介监测和基因分型的必要性，因为杂交带动态会影响WNV的传播风险。其次，该研究为利用人工智能（AI）等新兴工具进行形态学识别奠定了基础，这些工具可以补充遗传方法，实现更广泛、更实时的监测。最重要的是，尖音库蚊复合体作为一个模型系统，提供了一个独特的机会来研究生态和进化过程如何相互作用，影响媒介种群、人畜共患疾病风险和整体生态系统健康，完美地体现了“One Health”的理念。