National Science Review | 基因组所萧玉涛团队揭...

环境适应性是进化生物学中的一个重要科学问题。对于适应性的遗传机制，仍存在许多亟待探讨的科学问题。尤其是昆虫这一类群，具备相对较强的扩散能力。不同遗传背景的地理种群之间是否存在广泛的基因交流？在扩散过程中，自然选择是否具有特定的时间尺度？换句话说，自然选择是否会在不同的时间点发生？此外，适应性基因的表达调控在环境适应性中又起着怎样的作用？这些问题都有待进一步研究。

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心，以下简称“基因组所”）萧玉涛团队在国际权威期刊《国家科学评论》（National Science Review，NSR）上发表了题为 "Extreme genetic signatures of local adaptation in a notorious rice pest, Chilo suppressalis" 的研究性论文。该研究深入揭示了二化螟种群的演化及其温度适应性机制，为其绿色防控提供了重要的遗传基础。

二化螟（Chilo suppressalis）属于鳞翅目草螟科，是我国水稻的主要害虫之一。该害虫被农业部列为国家一类农作物害虫，对国家粮食安全构成严重威胁。本研究综合采用种群基因组学、分子遗传学等技术手段，揭示了二化螟在全国范围内的群体结构、种群演化历史、基因流动，以及不同时间尺度上的选择压力和环境关联。通过敲低该基因的表达，验证了受选择的GSC基因表达量与温度适应性的关系。

该研究通过整合结构变异（SVs）和单核苷酸多态性位点（SNPs）系统地解析了全国范围内二化螟的种群遗传结构，发现其种群可以分为五个遗传群体：黑河种群（HE）、海南种群（HN）、西南种群（SWC）、华中种群（CSC）和华东-华北种群（EC）。结果表明，二化螟是一个具有高度遗传分化的物种。进一步评估遗传分化情况后发现，除了HE种群以外，其他种群之间可能存在广泛的基因交流（图1）。HE和HN两个种群被认为是边缘种群，而SWC、CSC和EC则是中心种群。

图1 | 种群遗传结构

通过进一步模拟其种群历史，研究发现HE种群的演化历程显著不同于其他种群。此外，中心种群与边缘种群之间存在不对等的基因流动。基因流的方向是从中间种群向边缘种群扩散。而这种基因交流模式为其维持遗传多样性起着重要作用。EEMS分析进一步揭示了全国二化螟种群间基因交流的地理模式。

图2 | 种群演化历史与基因流

通过在不同时间尺度上进行选择性清除分析，研究进一步分类了选择信号的类型。结果显示，节律通路可能在早期适应过程中起到了关键作用。通过环境关联分析，研究发现了一个强烈受选择压力影响的GSC基因。其单倍型变化的频率与纬度高度相关（见图3）。

图3 | 自然选择与GSC基因温度适应性机制

通过对不同地理种群的转录组测序，发现该基因的表达量与纬度存在相关性。进一步通过实验敲低该基因的表达，发现其耐寒能力得以增强。综上所述，该研究提出了一种新的防控策略：首先，通过监测遗传信息来预测该生物的扩散或爆发风险；其次，通过监测适应性基因及其相关通路的基因表达，再结合靶向农药技术，实现更加精准的生态适宜型害虫防控。

基因组所博士后彭炎、毛凯凯（现为广西大学副教授）为论文的共同第一作者，基因组所萧玉涛研究员为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院创新工程以及深圳市高层次人才团队等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae221