城市化驱动跨城市与跨熊蜂物种的平行基因组分化

《Genome Biology》：Urbanisation drives parallel genomic divergence across cities and bumble bee species

　　

城市化带来了普遍的环境变化，但目前仍不清楚对城市的进化响应主要是特异的，还是不同城市间相似的选择压力会反复产生可预测的基因组结果。本研究分析了来自中欧九个独立城乡配对的三种植被广泛分布的熊蜂物种共524个个体的全基因组数据，以检验城市环境是否能驱动跨城市和跨物种的平行进化响应。遗传多样性对城市化的响应具有物种特异性，其中两个物种未检测到明显的城乡差异，而一个物种在城市中的多样性降低，这与物种特定的生态特征和栖息地需求一致。尽管所有物种的种群结构微弱且基因流高，但研究人员检测到了与城市环境相关的、一致且可重复的基因组分化。基因组-环境关联分析显示，在每个物种的独立城市间，相同位点出现了平行的等位基因频率偏移，而选择扫荡扫描则识别出城市种群中重复的正选择信号。跨物种来看，与城市相关的分化高度多基因化，并且主要发生在具有潜在调控作用的非编码区域。虽然涉及的特定基因在很大程度上是物种特异性的，但功能富集分析揭示了跨物种的强烈趋同，特别是在与生理应激反应、神经认知和行为过程、代谢及免疫相关的通路中。总之，这些结果表明，城市环境可以施加反复的选择压力，在持续基因流的情况下，也能跨城市和跨物种产生可预测的平行基因组响应。更广泛地说，该研究的发现强调了多基因的、可能涉及调控的适应是进化响应城市环境的重要组成部分。

研究背景与科学问题

城市化是全球最广泛且增长最快的人为环境变化之一，它重塑了全球景观，使生物面临新颖而强烈的选择压力。超过一半的世界人口居住在城市，预计到2050年这一比例将增至68%，同时全球城市土地覆盖面积将扩大0.6至130万平方公里。城市发展增加了不透水地表面积，造成栖息地破碎化和退化，并加剧了空气、水、光和噪音污染等多种胁迫因素。这些变化共同创造了一系列在不同城市间大致相似的、反复出现的环境挑战，使得城市环境成为研究生物对人为变化进化响应的强大、可重复的自然实验平台。

然而，尽管表型层面的城市化效应已被广泛记录，但关于其遗传基础的基因组规模研究仍然相对较少。现有研究常受限于基因组分辨率不足、种群数量少或缺乏跨城市的独立重复。因此，尚不清楚与城市相关的遗传分化究竟是反映了物种特异性的随机响应，还是城市环境施加了足够一致的选择压力，从而在种群和物种间产生平行的基因组信号。此外，这种响应的遗传架构也尚不明确。理论和实证研究表明，对复杂异质性环境的适应往往是高度多基因的，并且经常涉及调控变异而非大效应的编码突变。评估这些预测需要结合全基因组分辨率、独立的城乡对比以及多个同域分布物种的比较群体基因组学方法。

基于此，本研究利用三种广泛分布且同域分布的熊蜂物种（红尾熊蜂 Bombus lapidarius、地熊蜂 Bombus terrestris 和草原熊蜂 Bombus pascuorum），采集自欧洲九个独立的城市-乡村配对样点，共524个个体进行全基因组测序，旨在检验以下四个假设：（1）城市环境以物种依赖的方式影响全基因组遗传多样性；（2）城市环境驱动一致的种内等位基因频率偏移，使得城市种群在基因流高的背景下表现出与乡村种群的平行遗传分化；（3）对城市环境的基因组响应主要是多基因的，并在具有潜在调控功能的非编码区域富集；（4）跨物种的城市相关基因组响应存在趋同，尤其是在涉及生理应激反应、神经和行为过程、代谢及免疫的通路水平上。

主要技术方法

1. 1.
   样本采集与测序：在中欧德国九个独立城市及其周边乡村配对样点，采集三种熊蜂共524只工蜂个体的全基因组DNA并进行测序。
2. 2.
   遗传多样性与群体结构分析：使用调整后的期望杂合度（adjusted expected heterozygosity, adjH_EXP）量化全基因组遗传多样性；采用固定指数（F_ST）、Mantel检验、稀疏非负矩阵分解（sNMF）、判别主成分分析（DAPC）等方法评估群体分化和结构。
3. 3.
   基因组-环境关联分析（GEA）：结合冗余分析（RDA）、配对层次线性混合模型（LMM）和潜因子混合模型（LFMM）三种互补方法，鉴定与城市化（城乡分类变量）显著关联的单核苷酸多态性位点（SNP）。
4. 4.
   选择信号检测：使用跨种群nSL统计量（XP-nSL）扫描城市种群中重复出现的正选择扫荡信号，并通过重采样零模型确定显著性阈值。
5. 5.
   功能注释与富集分析：对候选SNP和选择扫荡区域进行基因注释，并利用GO和KEGG通路富集分析鉴定跨物种趋同的功能通路。

研究结果

遗传多样性、分化和群体结构

研究人员通过线性混合模型比较城乡样点的遗传多样性发现：B. lapidarius 和 B. terrestris 的遗传多样性在城乡间无显著差异，且与开花植物丰富度和绿色覆盖无强关联；而 B. pascuorum 在城市样点的遗传多样性显著降低，并与周围绿色覆盖比例呈强正相关。连锁不平衡（LD）为基础的种群历史分析进一步支持 B. pascuorum 城市种群近期有效种群大小下降。所有三个物种的遗传分化均极低（平均F_ST < 0.002），无距离隔离现象，且群体结构分析均支持单一遗传簇（K=1），表明研究尺度内存在高度基因流。

与城市环境相关的SNP

通过RDA和LMM联合分析，在三种熊蜂中分别鉴定出451、641和763个共享的城市关联SNP（RDA∩LMM）。这些SNP中超过98%得到LFMM独立验证，且重叠程度显著高于随机预期。等位基因频率变异主要与道路密度和地表温度（两者高度相关）相关，而与空气污染物（PM_2.5、NO₂）关联有限。基于这些SNP的主成分分析能够清晰区分城乡种群，且等位基因频率偏移在九个城市间高度平行（约95-97%的SNP在所有城市中具有相同的次要等位基因）。大多数城市关联SNP在乡村种群中也以可观频率（≥0.1）存在，提示选择作用于已有的遗传变异。

选择性扫荡

XP-nSL分析在至少四个城乡配对中重复检测到的选择扫荡区域数量分别为：B. lapidarius 54个，B. terrestris 104个，B. pascuorum 99个。这些扫荡信号与重组率代理指标（LD和内含子GC含量）无显著相关性，排除了连锁选择的主导作用。选择扫荡区域与GEA鉴定的城市关联SNP存在显著重叠，进一步支持选择驱动了城市相关的基因组分化。特别地，在 B. pascuorum 的2号染色体上发现了一个约6 Mb的连续区域，显示出异常高密度的选择扫荡和GEA信号，可能代表一个多态性染色体倒位。

讨论与结论

本研究表明，尽管三种熊蜂物种在遗传多样性对城市化的响应上表现出物种特异性（B. pascuorum 更为敏感），但它们均展现出高度一致的、可重复的基因组分化模式。在几乎泛交配的群体结构中，跨城市平行的等位基因频率偏移和重复的选择扫荡信号，强有力地支持了城市化作为一种反复出现的选择压力，驱动了基于已有遗传变异的适应性进化。与城市相关的分化呈现高度多基因性，主要位于非编码调控区域，且功能富集分析揭示跨物种在生理应激、神经行为、代谢和免疫通路上的强烈趋同。这些发现表明，即使在持续基因流的背景下，城市环境也能产生可预测的平行基因组响应，并强调了多基因和调控适应是生物应对城市环境进化的重要机制。