中国四川中华蜜蜂（Apis cerana）种群基因组分化与环境适应的群体基因组学研究

《Insects》：Population Genomic Insights into Genetic Differentiation and Environmental Adaptation of the Asian Honey Bee (Apis cerana) in Sichuan, China

　　

中华蜜蜂（Apis cerana）是亚洲重要的本土传粉昆虫，对自然生态系统和农业生态系统均有重要贡献。然而，气候变化和人类活动日益威胁其传粉服务和长期生存。因此，阐明种群遗传分化和局部适应（local adaptation）的模式对于保护本土种群至关重要。中国四川省地形复杂、山高谷深、气候异质性显著，为研究中华蜜蜂的上述过程提供了优良的自然实验室。研究人员从四川全省22个采样点采集了139只工蜂，并生成全基因组重测序（whole-genome resequencing）数据。通过将这些数据与8个已确立亚种的基因组整合分析，研究人员发现来自新龙（Xinlong）、九寨沟（Jiuzhaigou）和康定（Kangding）的蜜蜂形成三个遗传分化种群，与所有已知亚种均不相同。这些种群相对于此前描述的亚种表现出中度至高度的遗传分化（genetic differentiation）以及独特的种群历史动态（demographic history）。选择性清除（selective sweep）分析进一步在每个种群中鉴定出200–300个受正选择（positive selection）的候选基因。这些基因富集于化学感知、飞行肌、细胞周期调控、渗透平衡和应激反应等功能，与斑块状蜜源资源、短暂的春季繁殖窗口和较大的昼夜温差等适应特征相一致。研究结果揭示了三个此前未被识别的中华蜜蜂遗传资源，并为其局部适应提供了基因组学见解，为保护与育种计划提供了宝贵基础。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

中华蜜蜂（Apis cerana）是亚洲重要的本土传粉昆虫，相较于西方蜜蜂（Apis mellifera），其具有利用零星蜜粉源能力强、抗螨抗病、耐逆性强、饲料消耗低、采集期长及环境适应性广等优势，长期以来为自然和农业生态系统提供不可或缺的传粉服务。然而，气候变化、农药使用以及栖息地丧失和破碎化正对中华蜜蜂种群生存构成严重威胁。此外，商业化养蜂的扩张导致非本地蜂群引入和频繁的长距离转运，可能引起遗传混杂（genetic admixture），侵蚀本地中华蜜蜂遗传资源的完整性。因此，阐明中华蜜蜂种群遗传分化格局及环境适应的基因组基础，对于识别不同遗传单元、保护本土遗传完整性以及制定针对性保护策略至关重要。

此前基于线粒体DNA（mtDNA）和形态测量学的两项最系统的种群分化研究，分别在物种分布范围内鉴定出5个和6个主要类群。近年来，高通量测序特别是全基因组重测序技术极大地增强了在全基因组尺度上刻画遗传变异的能力。基于343个广泛分布的中华蜜蜂基因组分析，有研究提出多个外围类群从中部祖先种群辐射分化并独立适应不同栖息地；后续研究扩展地理采样并正式定义了大陆中华蜜蜂的8个亚种。然而，该8亚种框架主要通过大地理尺度的代表性采样建立，主要捕捉大陆尺度的分化模式，仍需更多分析来解析受地形屏障和环境异质性塑造的区域尺度结构。已有研究表明，山脉和海峡等物理屏障可限制基因流并驱动中华蜜蜂的遗传分化，例如对180个个体进行全基因组重测序的研究证明种群分化主要由物理屏障而非单纯的地理距离驱动。

四川地处中国地势第一阶梯与第二阶梯的过渡带，呈现西高东低的地形格局，包含四川盆地、川西北高原和川西南山地三大自然单元。其西南部属横断山脉北段，高山、深切河谷和纵列水系形成明显的垂直气候带和生境分化。这种高原、山地、深谷、盆地、丘陵复合的地貌系统，既限制基因流又对中华蜜蜂种群施加异质性环境选择。然而，迄今对四川中华蜜蜂遗传资源的研究主要依赖形态学、mtDNA和微卫星标记，受分辨率和遗传信息量限制，难以解析精细的种群遗传结构或适应复杂环境的基因组基础。因此，亟需结合大范围采样和全基因组重测序数据，阐明四川不同地理单元中华蜜蜂种群的遗传分化格局，并判断该区域是否存在未被充分认识的遗传资源。

二、研究设计与技术方法

研究人员从四川22个代表性地理种群采集139只中华蜜蜂工蜂样本，覆盖多个生态梯度和地貌单元，包括邛崃山地区、大渡河流域、大雪山地区、雅砻江流域、岷江流域、四川盆地边缘、岷山地区、汉江与嘉陵江分水岭地区以及华蓥山—渠江流域等。同时从公共数据库选取8个已确立亚种（海南、东北、青海、阿坝、台湾、波密、华中及马来西亚）各5个个体共40份全基因组重测序数据作为参照。全部179个个体经统一流程处理：利用Trimmomatic进行数据预处理，BWA-MEM比对至参考基因组GCA_029531695.1（约217.7 Mb），GATK HaplotypeCaller进行单样本变异检测和联合基因分型，经严格质控后获得1,338,904个高质量SNP。主要分析方法包括：PLINK进行主成分分析（PCA）和连锁不平衡（LD）剪枝，ADMIXTURE进行祖先成分分析（K=2至15），IQ-TREE 2构建最大似然（ML）系统发育树，VCFtools计算Weir和Cockerham F_ST，PopLDdecay分析LD衰减，PSMC推断历史有效种群大小（N_e），以及联合F_ST与核苷酸多样性比值（π_CT/π_target）及SweeD复合似然比（CLR）扫描的选择性清除分析。

三、研究结果

3.1 四川中华蜜蜂全基因组重测序

对四川22个地点的139个样本进行全基因组重测序，共产生658.7 GB原始数据，平均测序深度20×。加上40个公共数据库样本，共179个个体纳入研究，平均测序深度约19×。经质控和SNP检测后保留1,338,904个高质量SNP用于后续分析。

3.2 四川中华蜜蜂鉴定出三个新遗传资源

系统发育树显示各已知亚种个体聚集成簇并形成可追溯至中部种群（Central population）的独立分支。多数四川样本与已知亚种聚类，而新龙、九寨沟和康定样本形成三个独立于所有已知亚种的簇。PCA分析显示新龙种群沿第二主成分与所有其他样本明显分离，康定和九寨沟种群占据中部、阿坝与其他参照种群之间的邻近位置但各自保持紧密局部聚集。NetView网络显示新龙和九寨沟种群形成明显的外围簇，康定种群虽邻近阿坝簇但保持局部聚集。ADMIXTURE分析在K=11时解析全部8个已知亚种，且康定、九寨沟和新龙种群各自显示区别于所有已知亚种的遗传成分。多种独立方法一致表明这三个种群代表中华蜜蜂的新遗传资源。

3.3 核苷酸多样性与连锁不平衡衰减

以滑动窗口计算四个种群的基因组平均核苷酸多样性（π）：九龙种群（与中部种群聚类）最高（π=0.00429197），新龙、九寨沟和康定种群较低（π=0.00332350、0.00376833和0.00397624）。LD衰减分析显示中部种群衰减最快，而新龙、九寨沟和康定种群衰减明显更慢，与其他外围类群模式相似，支持将其归为中华蜜蜂外围种群。

3.4 三个新遗传资源与已知亚种的遗传分化

两两F_ST分析显示：新龙与中部种群F_ST=0.127（中度分化），与其他亚种为0.218–0.475（高度至极高度分化）；九寨沟与中部种群F_ST=0.075（中度），与其他亚种为0.171–0.436；康定与中部种群F_ST=0.058（中度），除与阿坝中度分化外与其他亚种为0.185–0.339。三个新种群之间也存在明显分化：康定–九寨沟、康定–新龙、九寨沟–新龙分别为0.173、0.206和0.250，均属高度遗传分化。

3.5 历史有效种群大小变化

PSMC分析显示九龙种群（代表中部种群）与九寨沟、康定和新龙种群共享大致相似的历史N_e轨迹，峰值出现在约1.3–1.8×10⁵年前，随后下降。但四个种群的绝对N_e水平存在明显差异：九龙种群在大部分历史时期维持最高N_e且峰值最高；康定种群多数时期N_e明显低于九龙；新龙种群与九龙差异最大，始终显示最低N_e且峰值远低于九龙；九寨沟种群大部分时期紧随九龙，但在约5×10⁴至2.3×10⁴年前（对应末次冰期MIS 3晚期至MIS 2早期）N_e显著降低。

3.6 三个分化种群适应性进化相关基因

以中部种群为背景，对新龙、九寨沟和康定种群分别进行基于F_ST和ln(π_CT/π_target)的联合扫描，并与SweeD CLR扫描结果取交集作为高置信候选区域。新龙种群鉴定出202个候选基因，GO富集于“化学刺激感知检测”和“肌细胞增殖”，KEGG富集于“逆行内源性大麻素信号”、“钙信号通路”和“味觉转导”，推断与高海拔斑块状蜜源环境下延长飞行搜寻花蜜资源的适应相关。九寨沟种群鉴定出256个候选基因，GO富集于“细胞周期G1/S期转变”、“细胞器组装调控”和“细胞碳水化合物代谢过程”，KEGG富集于“氨基酸代谢”和“泛素系统”，推断与短春季繁殖窗口期快速扩增蜂群以适应短暂集中蜜源期的适应相关。康定种群鉴定出175个候选基因，GO富集于“渗透胁迫响应”、“控制平衡的神经肌肉过程”、“跨膜转运”和“钙调磷酸酶-NFAT信号级联调控”，KEGG富集于“溶酶体”、“唾液分泌”、“血管平滑肌收缩”、“肾素分泌”、“Th1和Th2细胞分化”等通路，推断与长时间采集飞行和较大昼夜温差环境下维持细胞渗透平衡的适应相关。

四、讨论与结论

研究人员指出，四川复杂地形和多样气候形成的生境镶嵌体可能促进了中华蜜蜂的局部分化。三个新种群所在区域均具有明显的地理隔离特征，高海拔山脉、山脊、高原面等地理屏障可能减少繁殖个体间的相遇机会，限制跨区域扩散和新蜂群成功建立，从而阻碍种群间有效基因流。同时，三个种群在地形地貌、气候和蜜源植物资源方面差异显著，生态差异可能促进种群间长期独立适应，走向不同分化轨迹。三个种群均显示与飞行和神经肌肉功能相关的选择信号，但分子通路不同：新龙种群侧重能量代谢和嗅觉，九寨沟种群侧重细胞周期和蛋白质稳态，康定种群与钙调磷酸酶和渗透响应相关，表明这三个新遗传资源通过不同分子靶标趋同适应了挑战性飞行环境。

在保护方面，四川已建立以阿坝国家级中华蜜蜂保种场、马尔康省级保护区及核心育种场等为主的保护利用体系，但主要基于既有资源认知和传统保护对象，对区域内更精细的遗传分化覆盖不足。本研究基于全基因组数据鉴定出四川三个相对分化的地方遗传种群，表明在生态异质性强、地理隔离显著的区域仍存在尚未充分纳入保护规划的本地遗传资源。未来保护工作应将全基因组遗传信息纳入资源调查和保护规划，对新龙、九寨沟和康定等地方遗传种群开展持续遗传监测，并在蜂群引入、扩繁和跨区域运输中尽可能避免不同遗传单元间的无控混杂。

五、研究结论

基于四川全境广泛采样和全基因组重测序数据，本研究系统分析了四川中华蜜蜂的种群遗传结构、遗传分化、进化差异及环境适应的遗传基础。结果表明，新龙、九寨沟和康定种群各自形成独立的地方遗传种群，并与已知中华蜜蜂亚种存在不同程度的遗传分化。这些发现表明，在四川复杂地形和异质环境中仍保存着此前未被充分认识的中华蜜蜂地方遗传资源。然而，由于目前缺乏形态学数据和额外的生态学证据，这三个种群是否具有独立的亚种地位仍需进一步验证。本研究为中华蜜蜂新地方遗传资源的鉴定提供了全基因组证据，揭示了其适应本地环境的遗传基础，并提示在复杂山地和峡谷环境中，本土蜜蜂种群保护不应仅关注维持蜂群数量，还应重视地方遗传单元的识别、遗传完整性的维护和本地适应潜力的保存。未来保护工作应加强对新龙、九寨沟和康定等地方种群的持续遗传监测，并在蜂群引入、扩繁和跨区域运输中避免不同遗传单元间的无控混杂。