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害虫综合治理研究室揭示重大害虫瓜蓟马适应气候变化的进化遗传机制

发布时间:2024年02月27日 14:48  浏览次数:309

2024年2月24日,我所害虫综合治理研究室在进化生物学领域国际顶尖学术期刊Molecular Biology and Evolution上发表了题为“Rapid and repeated climate adaptation involving chromosome inversions following invasion of an insect”的研究论文,揭示重大害虫瓜蓟马Thrips palmi对气候变化的快速适应性进化及其遗传机制。研究组使用大规模基因组重测序、同质园生物学实验、耐热性汰选、全基因组扫描分析等方法,探明瓜蓟马在分布区向我国高纬度地区扩张过程中,多次对不同地区的极端温度胁迫产生了快速适应性进化,发现了该虫对高温胁迫的适应性与两个大片段染色体倒位及多个基因上的SNP相关,揭示了基因组结构变异作为主效基因位点在昆虫快速适应性进化中的重要作用,研究结果加深了我们对当前全球气候变化和生物入侵背景下害虫适应性机制的理解。

瓜蓟马又称棕榈蓟马、节瓜蓟马,寄主植物多达20科50多种,包括茄子、黄瓜、西甜瓜等常见蔬菜和瓜果。该虫于1927年在印度尼西亚的苏门答腊岛被发现,并于上世纪下半叶扩散至东南亚、南美洲、澳洲和西非等国家。我国最早于1970年在东南沿海省份发现该虫为害,在过去40-50年间,该虫分布区不断向我国北方地区扩张,突破了北纬34°自然越冬的界限,进入设施栽培环境为害,2000年该虫在北京地区被报道,目前已到达我国内蒙古和东北地区,成为设施蔬菜上危害最为严重的害虫之一。2023年农业农村部将瓜蓟马列为一类农作物病虫害进行管理。尽管设施栽培环境为瓜蓟马在高纬度地区越冬创造了适宜的条件,但是设施内的极端高温通常高于露地环境,又给该虫造成了高温胁迫。瓜蓟马由南向北、由露地向温室环境扩散过程中,对不同地区气候环境的适应性是暴发为害的重要基础。明确瓜蓟马是否能够通过进化对各地气候条件产生适应性,以及适应性进化的速率和遗传机制,对于揭示瓜蓟马的适应性形成机制与成灾机理具有重要科学意义。

研究团队采集了瓜蓟马17个地理种群的样品,通过全基因组重测序获得了基因组变异数据,分析发现我国瓜蓟马种群在短短几十年时间形成了与地理分布相关的种群遗传结构,且与气候因子之间存在较高的相关性(图1)。研究组进一步对11个田间种群进行同质园实验,测定了每个种群对极端高温和低温的耐受性,获得了表型变异数据,发现瓜蓟马高温和低温的耐受性表型存在明显的地理变异,南方种群的耐热性由南向北逐渐下降,扩散至北方设施环境后快速上升又随着向高纬度地区的扩散而下降,表明瓜蓟马种群在分布区扩张的过程中多次对温度胁迫产生了快速适应性进化(图2)。这一结果同时得到了室内耐热性汰选实验的支持。这是目前第一项结合基因组变异和表型变异揭示农业害虫生态适应性进化的研究,体现了组学与表型研究相结合的优势,深化了对害虫适应性进化速率的认识。

通过全基因组扫描分析及基因组变异数据、表型变异数据和种群采集地气候数据的关联分析,研究人员发现了该虫对高温胁迫的适应性与两个大片段染色体倒位及多个基因上的SNP变异相关(图3),揭示了基因组结构变异作为主效基因位点加速瓜蓟马快速适应温度胁迫的机制,重申了结构变异在物种本地适应中的重要性,同时也指出了自然选择过程的复杂性和适应性机制的多样化给全基因组层面鉴定适应性相关的功能基因位点带来的挑战。

近年来,团队围绕蓟马的适应性与成灾机制开展了一系列研究,破译了瓜蓟马染色体水平的基因组(Molecular Ecology Resources,2020),解析了瓜蓟马的种群演化历史(Evolutionary Applications,2019),探明了蓟马抗药性进化规律及抗性介导的竞争取代机制(Evolutionary Applications,2020;Journal of Pest Science,2021;Journal of Economic Entomology,2021;Pest Management Science,2023),揭示了瓜蓟马适应温度胁迫的表型可塑性机制(Journal of Insect Physiology,2024),该研究为团队在蓟马气候适应性领域取得的又一突破性进展。

北京市农林科学院植物保护研究所博士后马丽君为论文第一作者,曹利军、陈金翠、宋威、杨方园、沈修婧,澳大利亚墨尔本大学杨琼博士,中国农业大学李虎教授以及研究生唐梦卿和任亚静为论文共同作者,北京市农林科学院植物保护研究所魏书军研究员和澳大利亚墨尔本大学Ary Hoffmann教授为通讯作者。研究得到了北京市杰出青年科学基金等项目的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1093/molbev/msae044

图1:瓜蓟马的种群遗传结构与演化历史

图2:不同地理种群的耐热性表型

图3:染色体结构变异与耐热性表型间的相关性

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