多方面方法揭示小棕蝠（Myotis lucifugus）白鼻综合征适应反应的复杂基因组中介作用

《Molecular Ecology》：A Multifaceted Approach Reveals Complex Genomic Mediation of White-Nose Syndrome Adaptative Response in the Little Brown Bat (Myotis lucifugus)

　　

新病原体已成为人类世野生动物面临的重大挑战。白鼻综合征（white-nose syndrome, WNS）在过去二十年中已使北美蝙蝠种群大量减少。对受严重影响物种——小棕蝠（Myotis lucifugus）的适应性的种群统计学和生理学证据，促使人们多次尝试描绘其基因组基础，但这些研究结果之间几乎没有一致性。这可能部分归因于所用基因组资源的局限性和/或所采用的分析方法。在此，研究人员对在WNS当地到达之前（n=29）和到达后约10年（n=30）采集的小棕蝠个体进行了高覆盖度全基因组重测序（whole-genome resequencing, WGR），并将其比对到新的参考基因组上，以识别与适应性反应相关的选择特征。利用4190万个单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP），研究人员实施了硬扫荡（hard sweep）和软扫荡（soft sweep）检测分析的组合，发现了382个具有可靠选择证据的基因。其中，202个（49.9%）与富集的基因本体（gene ontology, GO）条目相关，许多条目与神经元发育、组织和功能有关。此外，与富集GO条目相关的基因中大约有一半（107个）与先前研究鉴定的基因相互作用。研究结果表明，对WNS易感性的降低是通过高度复杂的多基因机制介导的。进一步，研究人员证明WNS选择研究结果之间的联系远比之前认识到的多。研究人员认为，该研究采用的方法说明了对非模式物种选择研究进行范式转变的必要性，并进一步凸显了基因组学作为保护管理工具的价值。

**研究背景与意义**
人类世中新病原体的全球扩散对野生动物构成严峻挑战。白鼻综合征（white-nose syndrome, WNS）由嗜冷真菌Pseudogymnoascus destructans（Pd）引起，已在北美导致数百万蝙蝠死亡。小棕蝠（Myotis lucifugus）为极敏感物种，但部分种群在疫情后存活并恢复，提示发生了快速适应性进化。先前基因组研究因参考基因组碎片化、测序覆盖度低、仅依赖硬扫荡检测以及缺乏多基因选择评估，结果间一致性差。因此，需要采用高质量基因组资源和综合分析方法以解析WNS存活的基因组基础，为保护管理提供依据。

研究人员对来自美国东部纽约州和宾夕法尼亚州的59个个体（WNS到达前29个，到达后约10年30个）进行高覆盖度全基因组重测序，并利用新的染色体水平参考基因组mMyoLuc1，结合硬扫荡和软扫荡检测方法，系统筛选选择信号，再通过基因本体富集和基因网络分析，阐释适应机制。结果发现382个具有强选择证据的基因，其中201个与显著富集的GO条目相关，主要涉及神经元发育、组织和功能；107个基因与先前研究基因存在直接互作，表明WNS适应由高度复杂的多基因机制介导，且不同研究结果间存在远超以往认识的关联。研究方法为非模式物种选择基因组学提供了范式转变的范例，并凸显基因组学在保护管理中的应用潜力。

**关键技术与方法**
研究样本来自美国东部纽约州和宾夕法尼亚州的M. lucifugus种群，按WNS到达前后分组（preWNS n=29，postWNS n=30）。主要技术方法包括：高覆盖度全基因组重测序（平均覆盖度25.81×）；基于新型染色体水平参考基因组mMyoLuc1进行读段比对和SNP检测；采用硬扫荡统计F_ST与XP-CLR，软扫荡统计Rsb与XP-CLR，在10 Kbp滑动窗口中识别选择异常区域，并排除地理混杂；对候选基因进行GO富集分析（生物学过程、细胞组分、分子功能三个本体）；利用Cluepedia对候选基因与先前研究鉴定的257个“先验基因”进行基因网络互作分析。

**研究结果**
**3.1 基因组采样与群体结构**
全基因组重测序59个个体产生219亿条清洁读段，平均测序深度14.0×–64.2×，过滤后获得4190万高质量SNP。基因组遗传多样性（π）在各地理来源间相近（0.286–0.288），未发现WNS后全基因组多样性的丧失。群体间F_ST较低（疾病时间点比较0.00843–0.0175，地理比较0.00853），主成分分析未显示时空的清晰群体结构，表明纽约和宾夕法尼亚个体构成单一随机交配种群。

**3.2 检测选择特征**
三种统计（F_ST、XP-CLR、Rsb）检测的异常区域广泛分布，且均受地理混杂影响。Rsb识别最多异常区域（n=10,252），受地理混杂影响最大；F_ST最少（n=2267）；XP-CLR受地理混杂影响最小。

**3.2.1 硬扫荡选择**
F_ST和XP-CLR分别鉴定出1613和3066个非地理混杂异常区域，对应485和1031个基因；两者交集共170个基因视为硬扫荡选择的强证据。

**3.2.2 软扫荡选择**
Rsb检测出6824个非地理混杂异常区域，对应1331个基因；与XP-CLR结果交集得到299个候选基因，其中84个也与硬扫荡方法检出。

**3.2.3 GO富集**
硬/软扫荡共鉴定382个基因，包含4,446个异常区域。GO富集分析中，201个基因（52.6%）与显著富集条目相关；神经元发育、组织和功能相关条目占79.9%。对最强选择证据的SNP（n=209,532）进行主成分分析，显示WNS前后群体间明显分离，表明WNS到达后基因组变异发生显著变化。

**3.2.4 与先验基因的互作**
201个本研究基因与来自10项既往研究的257个先验基因进行基因网络分析，发现8个直接重叠基因（CAPN3、CEP112、GABRB1、NELL1、OLFM4、PRKCQ、SORCS3、TRPM2），并形成15个互作网络；其中一个大网络包含85.1%的基因，107个本研究基因和145个先验基因存在至少一种互作，揭示了既往研究间隐藏的分子联系。

**讨论与结论**
讨论部分强调WNS适应的高度多基因性：富集基因主要涉及神经元功能，网络分析显示免疫相关细胞因子（如IL1B、IL6、IL10、TNF）和Toll样受体（TLR2、TLR4、TLR9）等位于相互作用中心；神经元功能可能与皮肤伤口愈合、冬眠调节（谷氨酸能神经元、GABA能神经元）相连，提示抗病机制可能通过感知皮肤损伤、维持冬眠以减少觉醒频率而实现。研究还指出先前方法学局限：低覆盖度、碎片化参考基因组导致基因检测不完整；本研究利用高覆盖度WGR和染色体水平组装获得更准确结果。软扫荡检测到77.7%的候选基因，支持近期进化中软扫荡为主要模式。群体未显示多样性显著丢失，可能与世代重叠、个体聚集于少数冬眠场所有关。作者呼吁非模型物种选择研究应同时应用硬/软扫荡检测、注重多基因选择，并定量整合先前结果。最后指出基因组学可辅助WNS缓解策略制定，并为西部易感种群的快速适应潜力提供希望。**研究结论**：研究结果表明，对WNS的易感性降低是通过高度复杂的多基因机制介导的；WNS选择研究结果间存在远超以往认识的更多联系；采用的方法凸显了非模式物种选择研究范式转变的必要性，并展示了基因组学作为保护管理工具的价值。