沙特阿拉伯埃及伊蚊（Aedes aegypti）中基因渐渗塑造与湿润环境相关的遗传变异

《Molecular Ecology》：Introgression Shapes Genetic Variation Associated With Humid Environments in Aedes aegypti Mosquitoes From Saudi Arabia

　　

遗传分化群体之间的基因渐渗（introgression）产生可能促进对多样环境条件适应的变异。在埃及伊蚊（Aedes aegypti）中，与森林相关的亚种 Aedes aegypti formosus（Aaf）约5000年前经历驯化过程，产生全球入侵性、与人相关的虫媒病毒媒介 Aedes aegypti aegypti（Aaa）。尽管人类介导的运输广泛，两个亚种仍基本保持分化，混合主要记录于非洲沿海和沙特阿拉伯。研究人员利用沙特阿拉伯数据集（11,939 SNPs）检查气候对比区域——湿润南部和干旱西部——的沙特阿拉伯埃及伊蚊，以考察该国内遗传和环境变异；并利用全球数据集（13,455 SNPs）评估全球背景下的祖先和混合。基因组分析揭示明显的西部—南部分化，Jazan Highland显示亚种间混合和最高比例的Aaf祖先。向沙特阿拉伯南部及在其内部的多次基因流脉冲提示Aaf群体作为遗传变异库。全基因组扫描鉴定到一个与湿度梯度相关的候选区域，包含极长链脂肪酸延长酶（elongase of very long-chain fatty acids，AAEL024147），其对于表皮（cuticle）产生和减少水分丢失至关重要。由于沙特阿拉伯遗传背景主要为适应干旱的亚种Aaa，该位点存在Aaf祖先可能反映在日益湿润环境下具有适应相关性的局部渐渗。研究人员的发现强调分化谱系之间的二次接触如何可能促进埃及伊蚊的局部适应，并对预测环境变化响应具有意义。

研究背景与问题：基因渐渗（introgression）指遗传分化群体或谱系通过杂交和反复回交发生的遗传物质转移，常发生于二次接触（secondary contact）之后，并可为选择提供原始遗传变异。埃及伊蚊（Aedes aegypti）是全球登革和寨卡等虫媒病毒的主要媒介，其下包括森林相关亚种 Aedes aegypti formosus（Aaf）和全球分布的家养亚种 Aedes aegypti aegypti（Aaa）。Aaa约5000年前从Aaf驯化而来，并向全球热带和亚热带扩散；但在非洲沿海和沙特阿拉伯等地，Aaa与Aaf之间存在二次接触和混合的报道。沙特阿拉伯气候高度异质，西部城市干旱，西南部Jazan高地相对湿润且城市化较低。此前基于微卫星标记的研究发现Jazan Highland存在较强Aaf祖先信号，但全基因组层面的遗传结构、基因流方向及Aaf渐渗是否促进湿润环境局域适应仍不清楚。因此，研究人员假设Aaf来源渐渗有助于沙特阿拉伯埃及伊蚊适应湿润条件，并开展全国和全球背景下的群体基因组分析。

研究人员开展研究与主要结论：研究人员采集沙特阿拉伯7个地点2012—2022年的埃及伊蚊样本，包括南部Jazan Lowland、Jazan Highland、Sahil、Najran和西部Jeddah、Makkah、Madinah，并结合全球代表性Aaf与Aaa样本。基于Axiom aegypti1芯片获得高质量单核苷酸多态性（SNPs, single nucleotide polymorphisms）数据，分别构建沙特阿拉伯数据集（11,939 SNPs）和全球数据集（13,455 SNPs）。分析发现沙特阿拉伯西部干旱群体与南部湿润群体显著遗传分化，Jazan Highland为Aaf/Aaa混合群体且Aaf祖先比例最高；基因流分析支持非洲Aaf向Jazan Highland渐渗，再向Jazan Lowland等传播，Jazan Highland可能作为遗传变异库。全基因组扫描鉴定到与湿度梯度相关的候选区域，其中AAEL024147编码极长链脂肪酸延长酶，位于推测渐渗区域内，提示Aaf渐渗可能引入适应湿润环境的变异。研究强调二次接触和渐渗可能促进埃及伊蚊局域适应，对预测环境变化下媒介响应具有重要意义。

关键技术与方法（不超过250字）：样本队列来源包括沙特阿拉伯7个地点，南部Jazan Lowland、Jazan Highland、Sahil、Najran，西部Jeddah、Makkah、Madinah；Jeddah和Makkah为2012年样本，其余为2012—2022年样本；全球比较样本来自2010—2020年非洲、亚洲等地。研究人员使用Axiom aegypti1基因分型芯片，经质量控制、去除近缘个体和连锁不平衡（LD, linkage disequilibrium）剪枝后获得沙特阿拉伯11,939 SNPs和全球13,455 SNPs。采用主成分分析（PCA, principal component analysis）、ADMIXTURE、NetViewR、AMOVA、F_ST、LD衰减、RDA/dbRDA、WorldClim环境变量、TreeMix、f₃统计、DIYABC Random Forest、Migrate-n、fastsimcoal2、Dsuite ABBA-BABA和fdM、PCAdapt、LFMM2及SnpEff/KEGG注释等分析。

研究结果：
3.1 沙特阿拉伯群体的气候变异：研究人员对WorldClim生物气候变量和海拔进行PCA，发现PC1主要反映温度和干旱梯度；最干月降水量被选为代表性环境变量。南部Jazan Highland、Jazan Lowland和Sahil降水较高，分别为2.8、3和9 mm，Najran为1 mm，西部群体为0 mm；因此≥2 mm/月视为湿润，<2 mm视为干旱。
3.2 沙特阿拉伯群体的遗传多样性与结构：基于沙特阿拉伯SNP数据的PCA显示，西部干旱群体Madinah、Jeddah、Makkah紧密聚类，南部群体分化更大；Sahil位于中间，Najran形成独立紧密簇。AMOVA显示群体解释12.53%遗传变异。F_ST和Nei距离显示Jazan Highland与西部干旱群体分化明显，与Najran也高；Jazan Highland与Jazan Lowland、Sahil分化最低。ADMIXTURE在K=2时，南部湿润群体出现混合信号，Jazan Highland第二祖先成分最高，西部和Najran无混合；K=3时Najran出现第三成分。NetViewR网络识别两个主要社区。LD分析显示Jazan Highland的LD₅₀为5.0 kbp，低于西部8—9 kbp和Najran 10.0 kbp。dbRDA显示地理位置解释约5.1%，最干月降水在控制地理后额外解释1.5%；方差划分中空间结构贡献2.55%，降水独立贡献0.41%。
3.3 全球背景下沙特阿拉伯埃及伊蚊的遗传祖先：全球PCA显示大多数南部沙特阿拉伯蚊与非洲Aaf接近，Jazan Highland最近；Najran和少数Sahil样本与西部及亚洲Aaa更近。ADMIXTURE在K=2时Aaa信号为主，但Jazan Highland、Jazan Lowland和Sahil存在Aaf信号，平均Aaf祖先分别为0.57、0.20和0.15。K=3时沙特阿拉伯群体与亚洲其他群体分离；K=5为最优，黑海地区形成独立组，非洲内部出现新祖先成分，南部湿润群体显示四种遗传祖先，提示复杂杂交历史。
3.4 Aaf渐渗进入沙特阿拉伯南部Aaa：f₃分析中，以Lunyo（UG）为Aaf供体、沙特阿拉伯或亚洲Aaa为另一供体时，对Jazan Highland支持最高；Jazan Lowland和Sahil的Aaa供体为西部干旱群体或Najran，Jazan Highland可作为其Aaf供体。基于等位基因频率的最大似然群体树显示沙特阿拉伯埃及伊蚊呈多系，TreeMix支持3次最佳基因流事件：非洲蚊与Jazan Highland、Sahil之间两次，以及Sahil与Jazan Lowland之间一次。DIYABC分析支持Jazan Highland最佳场景为Aaf与西部干旱Aaa混合，Jazan Lowland最佳场景涉及Jazan Highland与Madinah混合。Migrate-n和fastsimcoal2均支持模型1，即近期Aaf渐渗进入沙特阿拉伯Aaa谱系。
3.5 局域选择与环境因子相关基因组变异：研究人员整合F_ST离群、PCAdapt和LFMM2三种扫描，得到78个候选变异，关联120个基因；三种方法无共享变异或基因。KEGG分析保留8个与脂类和糖代谢、氧化磷酸化相关基因。脂类代谢相关变异在Jazan Highland与西部干旱群体间基因型分布相反，AAEL024147、AAEL006987、AAEL006990和AAEL007023在Jazan Highland的等位基因频率接近Lunyo（UG），后三者位于2号染色体242—243 Mbp同一区域。PCAdapt还发现高海拔群体中AAEL009951和AAEL000006等位基因频率差异。ABBA-BABA测试显示Jazan Highland与Lunyo共享等位基因多于与Madinah，D=0.023，Z-score=4.20；fdM扫描显示渐渗信号高度异质，仅9个区域有明显峰，AAEL024147位于推测渐渗区域内，另有4个候选基因也位于渐渗区域。

讨论部分总结：4.1 遗传分化与杂交模式：研究确认沙特阿拉伯群体显著分化，并支持南部湿润地点存在Aaf/Aaa渐渗，方向为非洲Aaf流入西部干旱Aaa，再由Jazan Highland流入Jazan Lowland；Jazan Highland可能作为遗传变异库。LD模式符合Aaa瓶颈历史和二次接触后单倍型破碎。RDA和dbRDA表明遗传分化主要符合隔离距离（IBD, isolation by distance），局部二次接触和短距离扩散比广泛混合更重要。4.2 选择基因组区域与环境因素：干旱地区选择可能作用于减少水分丢失的基因，候选基因多涉及脂类代谢和表皮过程。AAEL024147位于渐渗区域，其等位基因频率在Jazan Highland接近Lunyo，提示Aaf渐渗可能引入适应湿润、森林化和农村高地的变异；但功能仍需实验验证。海拔相关基因涉及葡萄糖代谢和氧化过程，可能受紫外线、氧水平或人类活动影响，也需功能研究。4.3 进化动态启示：沙特阿拉伯埃及伊蚊遗传结构反映降水、海拔等环境压力，非洲Aaf基因流和国内群体移动的共同作用。环境选择似乎是主导信号，渐渗可作为补充变异来源，尤其利于湿润地区群体。渐渗在埃及伊蚊局域适应中研究仍少。

研究结论翻译：研究人员的研究证明沙特阿拉伯西部干旱和南部湿润埃及伊蚊群体之间存在显著遗传分化。Jazan Highland群体表现出高比例Aaf祖先，源自亚种间二次接触和后续渐渗，并作为潜在遗传变异库。尽管来自非洲群体的渐渗可能促进埃及伊蚊扩散至沙特阿拉伯湿润高地，未来研究应聚焦阐明候选基因的功能作用，并评估遗传变异和渐渗如何塑造生理与行为性状，如干燥耐受、取食和繁殖偏好。这些认识对于理解媒介能力（vector competence）的地理变异、疾病传播动态和杀虫剂抗性至关重要，最终将提高媒介控制策略的有效性。