黑腿蜱（Ixodes scapularis）在大平原地区的基因组混合：北部与南部支系的碰撞

《Molecular Ecology》：When Clades Collide: Genomic Admixture in Blacklegged Ticks (Ixodes scapularis) From the Great Plains

　　

Ixodes scapularis 蜱虫传播多种对人类健康重要的病原体，包括莱姆病的病原体 Borrelia burgdorferi sensu stricto。虽然 I. scapularis 遍布美国东部，但莱姆病传播主要局限于东北部和上中西部地区，在南部几乎不存在。这表明 I. scapularis 北部与南部支系之间的差异与莱姆病传播风险的差异有关。Ixodes scapularis 正在经历范围扩张，包括进入美国的大平原地区。确定大平原地区 I. scapularis 种群的起源可以为该地区未来的莱姆病传播风险提供信息。在本研究中，研究人员采用种群基因组学框架来表征大平原地区 I. scapularis 种群的多样性、结构和 B. burgdorferi 感染率。研究人员对在爱荷华州、堪萨斯州、内布拉斯加州和南达科他州采集的 I. scapularis 蜱虫生成了全基因组序列数据和单核苷酸多态性（SNP）数据集，并与该物种分布范围内的公开数据进行了比较。研究人员对 200 个 I. scapularis SNP 数据集的分析表明，存在地理上定义明确的种群，这些种群对应于 I. scapularis 历史上北部和南部的祖先支系。来自南达科他州、爱荷华州和内布拉斯加州东北部的蜱虫在遗传上与上中西部的种群相似，而来自堪萨斯州的蜱虫在遗传上与东南部的蜱虫更相似。然而，在内布拉斯加州中东部地区采集的蜱虫代表了一个北部和南部基因组背景均匀混合的种群。对基因组数据集中 B. burgdorferi 读段的分析显示，爱荷华州和内布拉斯加州东北部蜱虫的感染率约为 50%，而堪萨斯州的蜱虫则没有 B. burgdorferi 感染的证据。值得注意的是，来自内布拉斯加州中东部的均匀混合蜱虫也没有 B. burgdorferi 感染的证据。这些结果进一步证明，蜱虫基因组学可能影响与 B. burgdorferi 感染状态相关的性状，从而影响莱姆病传播的潜力。随着 I. scapularis 的范围持续扩大，使历史上孤立的种群发生接触，迫切需要了解基因组混合对 B. burgdorferi 传播潜力的影响，以便为美国未来莱姆病的风险评估提供信息。

研究背景与科学问题

莱姆病是美国最常见的媒介传播疾病（vector-borne disease, VBD），由 Borrelia burgdorferi sensu stricto 引起，其媒介为黑腿蜱（Ixodes scapularis）。尽管 I. scapularis 广泛分布于美国东部，但莱姆病传播高度集中于东北部和上中西部地区，而在南部几乎不存在。这种地理差异部分归因于蜱虫种群的遗传和行为差异：北部支系的若虫常在落叶层上方觅食并偏好小型哺乳动物宿主，从而维持 B. burgdorferi 的传播循环；而南部支系的若虫则在落叶层下方觅食并偏好爬行动物宿主，后者对 B. burgdorferi 不具易感性。近年来，I. scapularis 的分布范围持续向西扩张至大平原地区，包括南达科他州、内布拉斯加州等地。尤其引人关注的是，内布拉斯加州相距不足 90 英里的两个蜱虫聚集区表现出截然不同的 B. burgdorferi 感染率——东北部区域感染率达 55.4%，而东中部区域感染率为 0%。这一现象促使研究人员提出假设：内布拉斯加州可能是历史上隔离的北部与南部 I. scapularis 祖先种群的接触带，并且基因组混合可能影响 B. burgdorferi 感染状态。

研究方法概述

研究人员对从内布拉斯加州（n=37）、爱荷华州（n=19）、堪萨斯州（n=5）、南达科他州（n=5）以及罗德岛实验室品系（BEI，n=3）采集的 I. scapularis 个体进行全基因组测序（whole genome sequencing, WGS），并整合了来自美国东部 13 个州的 131 个公开 WGS 数据集，共计 200 个样本。通过严格的质量控制和变异检测流程，最终获得约 123,000 个经连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD）修剪的高质量单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）用于主成分分析（principal components analysis, PCA）和混合分析。种群结构评估采用 PCA、判别主成分分析（discriminant analysis of principal components, DAPC）、fastSTRUCTURE 和 ADMIXTURE 等方法。B. burgdorferi 感染状态通过将未比对到蜱虫基因组的读段比对到 B. burgdorferi 参考基因组（Bol26）进行推断。

研究结果

3.3 种群水平汇总统计量

基于 333,778 个 SNP 的计算显示，北部地区种群（如威斯康星州、密歇根州）的观测杂合度（observed heterozygosity, H_O）和核苷酸多样性（nucleotide diversity, π）普遍高于南部地区种群（如佛罗里达州、德克萨斯州）。大平原地区的种群表现出较高的 H_O（0.19–0.217）和 π（0.184–0.2），符合混合种群的预期特征。所有种群的近交系数（inbreeding coefficient, F_IS）均接近零，表明无明显近交信号。

3.4 基于主成分的分析

PCA 呈现经典的马蹄形分布，反映了地理隔离效应，前两个主成分分别解释 29.2% 和 6.6% 的方差。样本清晰分为北部和南部两个主要聚类。内布拉斯加州东北部（NE–NE）的蜱虫与北部聚类群聚，而内布拉斯加州东中部（NE–EC）的蜱虫位于两聚类之间。堪萨斯州的蜱虫也呈中间位置，而南达科他州和爱荷华州的蜱虫主要与北部支系聚类。DAPC 在 k=2 时正确分配了 95.5% 的个体，其中 NE–EC 的个体表现出跨聚类的混合分配。

3.5 混合分析

fastSTRUCTURE 和 ADMIXTURE 均支持最佳 k=2。在此模型下，东北部和上中西部样本主要归属于一个祖先群体，南部样本归属于另一个祖先群体。爱荷华州和南达科他州样本以北部分子为主，堪萨斯州和田纳西州以南部分子为主。内布拉斯加州内部呈现显著异质性：NE–NE 样本以北部分子为主，而 NE–EC 样本显示出近乎 50:50 的南北混合比例，表明该区域是北部与南部支系的接触混合带。

3.6 F_ST 估计与地理隔离可视化

成对校正 F_ST 值显示，北部与南部种群间的分化程度最高（均值 0.053），而北部种群间（均值 0.015）和南部种群间（均值 0.022）的分化较低。NE–EC 种群与所有其他种群的 F_ST 值均较低（0.005–0.03），与其混合性质一致。地理距离与 F_ST 的相关性较弱（R2<0.2），表明纬度梯度而非单纯距离是驱动分化的关键因素。

3.7 从测序数据推断 B. burgdorferi 感染率

通过比对非蜱虫读段至 B. burgdorferi 参考基因组，研究人员发现爱荷华州（42.1%）和 NE–NE（72.7%）的蜱虫具有高感染率，而堪萨斯州（0%）、南达科他州（0%）和 NE–EC（0%）未检测到感染。值得注意的是，所有样本均存在一段与立克次体内共生体（Rickettsial endosymbiont）匹配的读段，需与真正的 B. burgdorferi 感染区分。

讨论与结论总结

研究表明，I. scapularis 在大平原地区的种群呈现出沿纬度梯度的基因组混合模式，内布拉斯加州东中部是最显著的混合区域。这与该区域蜱虫无 B. burgdorferi 感染的现象一致，暗示南部遗传背景可能赋予了对 B. burgdorferi 的低易感性。研究人员强调，随着蜱虫分布范围继续扩张，理解基因组混合对蜱虫行为、宿主偏好和病原体传播能力的影响至关重要。研究还验证了从 WGS 数据推断 B. burgdorferi 感染状态的可行性，并提出利用蜱虫腿部进行基因组分析、身体用于病原体检测的双重策略，可最大化每只采集蜱虫的科学价值。