城市淡水昆虫城市化梯度上的转录组响应具有温度依赖性

《Molecular Ecology》：The Transcriptomic Response Along an Urbanization Gradient Is Also Temperature-Dependent in a Freshwater Insect

　　

城市化已成为影响生态系统功能的主要栖息地转变原因之一。然而，城市化引起的转录组响应仍知之甚少。在本研究中，研究人员在不同的升温温度下沿城市化梯度进行了转录组分析，并利用加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）进一步探究了城市化梯度上表型变异所涉及的基因。研究人员在波兰南部跨越城市化梯度（以不透水面百分比衡量）的8个池塘中采集了成年雌性个体，并在三种温度处理下饲养其幼虫：当前温度22°C、+3°C和+6°C。当幼虫达到前末龄若虫阶段时，研究人员对其与发育和体型相关的性状进行表型测定，并收集样本进行基因表达分析。研究发现，24个基因的表达沿连续城市化梯度发生变化，这些基因与蛋白水解、细胞外组织和感知相关。此外，一些基因表现出显著的城市化×温度交互效应，并与化学刺激检测和感知相关。WGCNA揭示了两个与城市化及某些表型性状（尤其是发育时间）相关的基因模块。与城市化梯度上表型分化相关的基因涉及多种不同通路，包括信号传递、细胞周期和DNA修复。总之，研究人员证明了沿城市化梯度的转录组响应具有情境依赖性（此处指温度依赖性），表明一些响应城市化的基因也表现出热塑性。该工作凸显了城市化在诱导生物体表型和基因表达变化方面的重要性。

城市化已成为导致栖息地转变、影响生态系统功能的主要原因之一。城市热岛效应使城市环境温度升高，城市种群可能经历不同于乡村的热制度。沿城市化梯度，生物常表现出生活史策略和表型分化，如城市种群通常体型较小、发育更快，但其转录组基础仍不清楚。以往基因组扫描研究鉴定了与免疫、突触组织、发育形态等相关的候选基因，然而转录组水平的研究十分有限。此外，城市种群可能对升温具有不同的响应，城市化效应可能依赖于温度。因此，研究人员在淡水昆虫蓝丝蟌（Ischnura elegans）中开展了一项同园实验，以探究城市化梯度上的转录组响应及其温度依赖性。该研究在波兰南部沿城市化梯度（以不透水面百分比为指标）选取8个池塘，采集雌性成虫并获取其幼虫，在三种温度处理（22°C、25°C、28°C）下饲养，至前末龄若虫阶段测定发育和体型相关性状，并对144个个体进行RNA测序，结合差异表达分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）和基因本体（GO）富集分析，探究基因表达与城市化、温度及表型的关联。研究发现，沿城市化梯度有24个基因差异表达，涉及蛋白水解、细胞外组织及感知；部分基因存在显著的城市化×温度交互效应；WGCNA鉴定出两个与城市化及表型性状（尤其是发育时间）显著相关的基因模块。该研究表明城市化引起的转录组响应具有温度依赖性，为理解城市环境下生物的适应机制提供了新证据。该论文发表于《Molecular Ecology》。

在方法方面，研究人员在波兰南部8个池塘（不透水面范围0%–47.21%）采集雌性成虫，获得31个母系，并在生长室中以22°C、25°C、28°C三种温度饲养幼虫。对达到前末龄若虫的个体进行表型测定和转录组测序，使用glmmSeq拟合城市化连续变量与温度处理的混合效应模型进行差异表达分析，采用WGCNA构建基因共表达网络并与表型及环境变量关联，最后利用自定义注释和BiNGO进行GO富集分析。

3.1 城市化和温度在表型和转录组水平的一般效应
主成分分析显示，在22°C和25°C条件下，随着不透水面百分比增加，幼虫发育加快；在28°C下城市化效应不明显。整体转录组水平上，城市化梯度未导致明显分化。

3.2 不同温度下沿城市化梯度的差异表达分析
共鉴定出24个基因受城市化显著影响，其中15个表达量随不透水面增加而上升，9个下降，富集于蛋白水解、细胞外结构组织和甜味感觉感知。温度影响6311个基因的表达，其中4381个基因在25°C和28°C下表达一致下降，主要涉及RNA加工、代谢过程、细胞应激反应等；794个基因表达一致上升，富集于碳水化合物代谢；1136个基因在25°C和28°C下的表达方向不同。城市化×温度交互效应影响25个基因，富集于化学刺激检测和味觉感知，其中部分基因在22°C下沿城市化梯度表达下降，而在25°C和28°C下表达上升。

3.3 基因表达、表型与城市化之间的相关性
WGCNA共获得12个基因模块，其中棕色模块与城市化、翅芽长度正相关，与发育时间和温度负相关，富集于DNA修复、细胞周期、细胞分裂等通路，枢纽基因参与染色质组织、细胞分裂和发育；灰色模块与城市化、温度正相关，与发育时间负相关，富集于蛋白水解、细胞表面受体信号通路、纤毛组织等，枢纽基因全部属于锌指蛋白家族，涉及转录调控和表观遗传调控。

讨论部分指出，尽管基因流具有同质化效应，但城市化仍能导致少量基因的差异表达，且这些基因涉及多种功能通路。温度是基因表达差异的主要驱动因素，大多数温度响应基因表达下调，可能与代谢和蛋白周转的改变有关。城市化与温度的交互效应表明，部分城市化响应基因具有热塑性。WGCNA结果显示，表型分化（尤其是发育时间）具有转录组基础，涉及DNA修复、细胞周期、信号传导和转录调控等机制。这些发现表明，城市化在较短地理距离内即可诱导表型和转录组变化，但其适应性意义仍需进一步验证。

结论：本研究探讨了淡水昆虫在不同温度制度下对城市化的转录组响应。研究发现：（1）沿城市化梯度的转录组响应涉及与蛋白水解、细胞外组织和感觉感知相关的基因；（2）城市化响应具有情境依赖性，此处表现为温度依赖性；（3）沿城市化梯度观察到的表型分化（主要是发育时间）也依赖于温度，并与某些基因簇显著相关。因此，城市化和温度对幼虫转录组和表型均有明确影响，但这些变化如何转化为成虫性状，尤其是繁殖力，仍需进一步研究。