人介导扩散驱动茶翅蝽（Halyomorpha halys）的全球入侵：基于COI单倍型与Mantel检验的分析

《Ecology and Evolution》：Human-Mediated Dispersal Drives Global Invasion of Halyomorpha halys: A COI Haplotype and Mantel Test Analysis

　　

茶翅蝽（Halyomorpha halys）（半翅目：蝽科）是一种全球入侵性农业害虫，在过去三十年间已迅速扩散至北美、欧洲和亚洲。理解其入侵成功的驱动因素对于预测未来扩散和指导管理至关重要。在本研究中，研究人员组装了一个全面的线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）数据集，包含来自该物种原生分布区和入侵分布区共15个国家的1039条序列，其中包括119条新获得的序列。研究人员鉴定了65个单倍型，包括8个新变异，并进行了遗传多样性分析、单倍型网络重建和Mantel检验，以定量评估遗传分化模式是否与距离隔离（isolation by distance, IBD）或环境隔离（isolation by environment, IBE）一致。原生种群，特别是中国和日本，表现出较高的单倍型多样性和显著的遗传分化，提示长期独立进化。入侵种群通常表现出与奠基者效应一致的降低的多样性，但有两个显著例外：希腊和比利时表现出较高的单倍型多样性和正的Fu's F_s值，表明它们是多次入侵导致的潜在遗传混合区。单倍型网络揭示了两个主要谱系H1和H3，具有不同的地理分布。Mantel检验未检测到遗传距离与地理距离或气候差异之间的显著相关性（p > 0.05）。虽然单一线粒体标记的分辨率有限，不能对IBD/IBE的缺失做出确定性结论，但这些发现与频繁和大规模人介导扩散可能已经掩盖了自然种群结构信号的假说一致。通过定量地将遗传结构与生物地理模板解耦，本研究增进了对入侵机制的理解，并强调需要针对人介导扩散途径的生物安全策略。

本研究聚焦于茶翅蝽（Halyomorpha halys）的全球入侵机制。生物入侵是全球环境变化的重要组成部分，入侵生物学的基本问题在于扩散是受自然扩散障碍（如地理距离导致的距离隔离（isolation by distance, IBD）和气候适宜性导致的环境隔离（isolation by environment, IBE））主导，还是人类活动造成的运输传播已覆盖这些自然限制。茶翅蝽原产东亚，是多食性害虫，已入侵北美、欧洲和南美，造成严重经济损失。尽管已有遗传研究重建了部分入侵路线，但尚未在全球尺度定量检验IBD/IBE。为此，研究人员组装了迄今最大的线粒体DNA（mtDNA）COI数据集，结合遗传多样性、单倍型网络和Mantel检验，旨在提供全球单倍型多样性全貌并首次数量化检验遗传分化是否支持IBD/IBE。

研究人员整合了Valentin et al.发表的920条序列（658 bp，来自北美、欧洲、亚洲已建立种群，采样时间为2004-2016）及从NCBI GenBank和Barcode of Life Data System（BOLD）新下载的119条序列（≥600 bp，主要来自比利时、土耳其、韩国等2021年后发表的数据）。经MEGA v11比对后统一修剪为657 bp。使用DnaSP v6计算单倍型数（Hn）、单倍型多样性（Hd）和核苷酸多样性（π），用R软件hfufs包进行Fu's F_s中性检验。基于F_ST矩阵用ape包进行主坐标分析（PCoA），用PopART的TCS算法构建单倍型网络。距离矩阵方面，遗传距离使用Nei标准遗传距离（PopGenReport包），地理距离以各国加权地理中心间的球面距离（Haversine公式）表示，气候距离基于WorldClim 2.1的六个生物气候变量（Bio1、Bio7、Bio12、Bio14、Bio15和海拔）经Z-score标准化后计算欧氏距离。Mantel检验使用vegan包，9999次置换，包含Pearson和Spearman相关，并对东亚、欧洲、美国进行了分区和偏Mantel检验。

主要研究结果如下：

**3.1 序列特征与全球单倍型分布**：通过对1039条657 bp COI序列分析，共鉴定65个单倍型，其中57个已知（H前缀）和8个新单倍型N1-N8。新单倍型具有地理特异性（N1中国，N2泰国，N3-N6比利时，N7德国，N8英国）。中国单倍型数最高（29），其次日本（20）和韩国（9）。多数入侵种群单倍型数低，但希腊（7）和比利时（9）例外，比利时还拥有4个新单倍型，提示局部分化或多源基因流。

**3.2 基于COI的遗传多样性分析**：遗传多样性指标显示原生种群（日本Hd=0.9285，π=0.00425；韩国Hd=0.8718；中国Hd=0.6646）高于多数入侵种群（美国Hd=0.4022，瑞士0.2615，意大利0.3372，法国0.0421，加拿大0.0776，匈牙利0.0239，土耳其0）。比利时（Hd=0.7687）和希腊（0.7237）的多样性接近甚至超过某些原生种群。Fu's F_s检验显示中国（-26.18）和日本（-11.48）有较大负值，提示种群扩张；美国、加拿大、法国、匈牙利也为负值但未显著（p>0.05）；希腊（1.08）和比利时（0.85）为正值，结合高多样性，提示遗传混合或瓶颈。基于F_ST的PCoA将15国分为两个遗传簇：正Coord.1组包括中国、美国、加拿大、意大利、匈牙利、希腊、土耳其（以H1为主）；负Coord.1组包括日本、韩国、瑞士、法国、比利时、英国、泰国、德国（以H3、H8等为主）。意大利与美国紧密相关。TCS单倍型网络显示两个主要谱系H1和H3，对应两条扩散路线。中国和日本共享极少单倍型，存在显著分化。希腊和比利时网络位置复杂，连接H1和H3谱系，支持二次接触。

**3.3 Mantel检验拒绝距离隔离和环境隔离**：全局Mantel检验中，遗传距离与气候距离无显著相关（Pearson r=-0.0366, p=0.4426；Spearman ρ=-0.0581, p=0.5753），与地理距离也无显著相关（Pearson r=0.2336, p=0.0904；Spearman ρ=0.2262, p=0.0957）。尽管IBD系数为正且接近阈值，但未达显著。这表明自然扩散模型不能解释全球遗传结构，支持人介导扩散主导。

**3.4 分区Mantel检验**：在原生东亚范围，IBD（Spearman ρ=0.381, p<0.001；Pearson r=0.327, p<0.001）和IBE（Spearman ρ=0.248, p=0.009；Pearson r=0.223, p=0.012）均显著，但偏Mantel检验不显著（Spearman ρ=-0.065, p=0.753；Pearson r=-0.040, p=0.665），表明东亚的IBE信号主要由地理距离混杂，而非气候独立效应。在欧洲，IBD（Spearman ρ=0.056, p=0.205）和IBE（Spearman ρ=-0.040, p=0.645）均不显著，偏Mantel也不显著。在美国州级层面，IBD（Spearman ρ=0.768, p=0.001）和IBE（Spearman ρ=0.729, p=0.002）显著，但偏Mantel不显著（Spearman ρ=0.296, p=0.066），提示美国信号也受地理结构驱动。结果表明自然信号在原生地存在，但在入侵地逐渐丢失。

讨论部分指出，非显著的IBD/IBE是人为介导扩散的最强定量证据，与Boscolo Agostini et al.的ABC重建结果一致，其推断入侵北美约73年前，早于首次发现。分区检验显示从原生东亚显著、美国部分显著到欧洲完全不显著的梯度，表明人为扩散随入侵进程逐步覆盖自然限制。中国作为起源中心，日本因海洋隔离独立进化。入侵种群的低多样性受多次引入缓解。希腊和比利时的高多样性和正Fu's F_s支持其为遗传混合区，可能成为适应性变异产生的热点，需重点监测。间接证据包括H1和H3跨洲分布、货物拦截记录、混合区与国际港口重合等。局限性包括样本量小、单标记、环境数据粗糙等，未来需整合核标记。管理上应优先关注国际贸易路径，监测混合区，预防抗药性。

研究结论为：本研究对茶翅蝽全球入侵进行了距离隔离和环境隔离的定量检验，证明自然扩散障碍不能解释观察到的遗传结构。IBD和IBE信号的缺失表明，人为力量已从根本上将种群遗传结构与自然生物地理模板解耦。这些发现补充了近期基因组重建研究，共同得出统一结论：人介导扩散——而非自然扩散障碍——是茶翅蝽全球扩张的主要驱动力。通过定量检验自然扩散模型的预测，本研究增进了对入侵机制的基本理解，并强调迫切需要制定全球协调的生物安全策略，以针对人介导扩散途径。随着国际贸易持续扩大，挑战在于以同样敏捷、基于证据的管理方法匹配人为扩散的活力和规模。