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2024年2月24日，植保所害蟲綜合治理研究室在進化生物學領域國際知名學術期刊Molecular Biology and Evolution上發表了題為“Rapid and repeated climate adaptation involving chromosome inversions following invasion of an insect”的研究論文，揭示重大害蟲瓜薊馬Thrips palmi對氣候變化的快速適應性進化及其遺傳機制。研究組使用大規模基因組重測序、同質園生物學實驗、耐熱性汰選、全基因組掃描分析等方法，探明瓜薊馬在分布區向我國高緯度地區擴張過程中，多次對不同地區的極端溫度脅迫產生了快速適應性進化，發現了該蟲對高溫脅迫的適應性與兩個大片段染色體倒位及多個基因上的SNP相關，揭示了基因組結構變異作為主效基因位點在昆蟲快速適應性進化中的重要作用，研究結果加深了我們對當前全球氣候變化和生物入侵背景下害蟲適應性機制的理解。
瓜薊馬又稱棕櫚薊馬、節瓜薊馬，寄主植物多達20科50多種，包括茄子、黃瓜、西甜瓜等常見蔬菜和瓜果。該蟲于1927年在印度尼西亞的蘇門答臘島被發現，并于上世紀下半葉擴散至東南亞、南美洲、澳洲和西非等國家。我國最早于1970年在東南沿海省份發現該蟲為害，在過去40-50年間，該蟲分布區不斷向我國北方地區擴張，突破了北緯34°自然越冬的界限，進入設施栽培環境為害，2000年該蟲在北京地區被報道，目前已到達我國內蒙古和東北地區，成為設施蔬菜上危害最為嚴重的害蟲之一。2023年農業農村部將瓜薊馬列為一類農作物病蟲害進行管理。盡管設施栽培環境為瓜薊馬在高緯度地區越冬創造了適宜的條件，但是設施內的極端高溫通常高于露地環境，又給該蟲造成了高溫脅迫。瓜薊馬由南向北、由露地向溫室環境擴散過程中，對不同地區氣候環境的適應性是暴發為害的重要基礎。明確瓜薊馬是否能夠通過進化對各地氣候條件產生適應性，以及適應性進化的速率和遺傳機制，對于揭示瓜薊馬的適應性形成機制與成災機理具有重要科學意義。
研究團隊采集了瓜薊馬17個地理種群的樣品，通過全基因組重測序獲得了基因組變異數據，分析發現我國瓜薊馬種群在短短幾十年時間形成了與地理分布相關的種群遺傳結構，且與氣候因子之間存在較高的相關性（圖1）。研究組進一步對11個田間種群進行同質園實驗，測定了每個種群對極端高溫和低溫的耐受性，獲得了表型變異數據，發現瓜薊馬高溫和低溫的耐受性表型存在明顯的地理變異，南方種群的耐熱性由南向北逐漸下降，擴散至北方設施環境后快速上升又隨著向高緯度地區的擴散而下降，表明瓜薊馬種群在分布區擴張的過程中多次對溫度脅迫產生了快速適應性進化（圖2）。這一結果同時得到了室內耐熱性汰選實驗的支持。這是目前第一項結合基因組變異和表型變異揭示農業害蟲生態適應性進化的研究，體現了組學與表型研究相結合的優勢，深化了對害蟲適應性進化速率的認識。
通過全基因組掃描分析及基因組變異數據、表型變異數據和種群采集地氣候數據的關聯分析，研究人員發現了該蟲對高溫脅迫的適應性與兩個大片段染色體倒位及多個基因上的SNP變異相關（圖3），揭示了基因組結構變異作為主效基因位點加速瓜薊馬快速適應溫度脅迫的機制，重申了結構變異在物種本地適應中的重要性，同時也指出了自然選擇過程的復雜性和適應性機制的多樣化給全基因組層面鑒定適應性相關的功能基因位點帶來的挑戰。
近年來，團隊圍繞薊馬的適應性與成災機制開展了一系列研究，破譯了瓜薊馬染色體水平的基因組（Molecular Ecology Resources，2020），解析了瓜薊馬的種群演化歷史（Evolutionary Applications，2019），探明了薊馬抗藥性進化規律及抗性介導的競爭取代機制（Evolutionary Applications，2020；Journal of Pest Science，2021；Journal of Economic Entomology，2021；Pest Management Science，2023），揭示了瓜薊馬適應溫度脅迫的表型可塑性機制（Journal of Insect Physiology，2024），該研究為團隊在薊馬氣候適應性領域取得的又一突破性進展。
北京市農林科學院植物保護研究所博士后馬麗君為論文第一作者，曹利軍、陳金翠、宋威、楊方園、沈修婧，澳大利亞墨爾本大學楊瓊博士，中國農業大學李虎教授以及研究生唐夢卿和任亞靜為論文共同作者，北京市農林科學院植物保護研究所魏書軍研究員和澳大利亞墨爾本大學Ary Hoffmann教授為通訊作者。研究得到了北京市杰出青年科學基金等項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/molbev/msae044
圖1：瓜薊馬的種群遺傳結構與演化歷史
圖2：不同地理種群的耐熱性表型
圖3：染色體結構變異與耐熱性表型間的相關性
