The Innovation | 物竞天择：群体基因组视角下的棉铃虫适应性进化

导 读

“物竞天择，适者生存”是自然界的法则。通过物种与外部环境，物种间、物种内的互相竞争，适应自然者留存下来。农业害虫在适应复杂自然环境的同时也进化出了应对人类活动的抵御策略。对于昆虫为何能快速产生适应性进化及其背后的遗传分子机制，人们的认识仍不完善。

图1 图文摘要

据世界粮农组织估计，每年虫害估计造成全球农作物产量多达40%的损失，经济亏损超过700亿美元。随着气候变化加剧和全球贸易量的增加，害虫的危害区域和分布范围呈现全球入侵的态势。因此解析害虫的种群遗传结构和环境适应机制不仅具有重要的科学意义，同时对于制定综合防控策略具有重大的现实意义。

棉铃虫(Helicoverpa armigera)属于鳞翅目夜蛾科，在欧亚大陆、非洲、大洋洲等均有广泛分布，并进一步扩散到了西半球，是世界性的重大农业害虫。中国农业科学院基因组所联合中国农科院植保所、英国剑桥大学、兰卡斯特大学、美国哈佛大学、澳大利亚联邦农学院、墨尔本大学以及华中师范大学，综合运用多种生物学技术开展了一项历时10年的研究，并于近日取得了重要突破。

本文研究结果表明，全球棉铃虫主要分为非洲-欧洲群体、大洋洲群体、南亚群体以及我国的华南群体、华中-华北群体和西北内陆群体（图2），这很大程度上源于地理阻隔造成的基因交流受阻，逐渐形成了群体结构。遗传结构分析证实近年入侵至南美洲的棉铃虫来源于非-欧大陆群体。

图2 棉铃虫种群结构

由于其分布的不同区域内自然气候和种植结构等存在巨大差异，因此棉铃虫群体是研究适应性进化的理想模型之一。通过复合似然比检验（Composite Likelihood Ratio）开展群体选择信号分析发现，多个与杀虫剂抗性相关的靶标和代谢酶在不同群体中受到强烈选择，例如在澳大利亚棉铃虫群体中发现的可导致菊酯抗性产生的CYP337B3基因，不仅在大洋洲群体受到强烈选择，在南亚和非洲群体中也受到选择，表明澳大利亚的棉铃虫群体在与南亚群体产生基因交流时，将该抗性等位基因渗入到南亚群体中，并在杀虫剂的选择下迅速固定下来。此外，我国华北地区多个地点的抗药性监测结果表明，华北群体的棉铃虫对多种杀虫剂的敏感性显著降低；通过群体间比较还发现CYP9A基因簇、CYP4L、GST基因簇、AchE等多个参与杀虫剂代谢的解毒代谢酶和受体靶标在华北群体中受到选择，纯合变异位点的比例呈现群体分布。

图3 棉铃虫Tret1基因变异

针对棉铃虫对低温的适应性，研究开展了基因与环境互作分析（G×E, genotype-by-environment interactions），鉴定到位于3号染色体上的一个SNP（c.1190G>A）与环境因子存在最强的关联（图3）。该位点位于海藻糖转运蛋白基因Tret1的4号外显子上，变异导致苏氨酸变为异亮氨酸。单倍型A主要分布在冬季气温较低的新疆和华北地区，而单倍型G则分布在气温较为温暖的地区。细胞生物学实验证实G>A的变异并未影响Tret1的亚细胞定位，但Tret1-A型的海藻糖转运效率显著提高。通过遗传标记构建了Tret1-A型和G型的棉铃虫分离群体，结果表明Tret1-A型蛹具有较低的过冷却点，并且在低温胁迫下Tret1-A型蛹的海藻糖含量显著高于Tret1-G型蛹，使得Tret1-A型蛹具有更好的应对低温的能力。

总结与展望

本研究综合运用群体基因组学、分子遗传学、细胞生物学等技术，明确了全球范围内棉铃虫的种群结构，从自然环境和人类活动两方面对棉铃虫的适应性进化规律进行了系统解析。研究成果对于害虫适应性机制的理解、区域化害虫防控策略的制定具有重要意义，所鉴定的参与群体性状形成的关键基因，为害虫的绿色防控提供了新靶标。

责任编辑

陶   亮   西湖大学

刘星成   中国科学院广州地球化学研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00082-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第四期以Article发表的“Adaptive evolution to the natural and anthropogenic environment in a global invasive crop pest, the cotton bollworm” (投稿: 2023-02-14；接收: 2023-05-27；在线刊出: 2023-05-30)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100454

引用格式：Jin M., North H., Peng Y., et al. (2023). Adaptive evolution to the natural and anthropogenic environment in a global invasive crop pest, the cotton bollworm. The Innovation. 4(4),100454.

作者简介

萧玉涛，研究员，博士生导师，国家重大青年人才项目入选者，植物保护学会青年委员会委员。长期从事农业昆虫与害虫防治研究工作，围绕棉铃虫、草地贪夜蛾等重要农业害虫，综合运用多组学手段和基因编辑等分子生物学技术，在农业害虫适应性进化机制研究方面取得了一系列重要成果。先后主持国家自然科学基金、转基因生物新品种培育重大专项子课题等项目15项；以第一/通讯作者（含并列）在 Molecular Biology and Evolution、 Ecology Letters、eLife等期刊发表论文40余篇；授权国家发明专利6项。

https://www.agis.org.cn/kydw/kydwyjzx/stjyzyjzx/a60d88a084114026bbe51b23e5a5cc59.htm

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