近日，中国农业大学植物保护学院彩万志/李虎团队在国际知名学术期刊《前沿研究杂志》（Journal of Advanced Research）上在线发表了题为《群体基因组学分析揭示杂交在草地贪夜蛾快速入侵中的作用》（Population genomics analyses reveal the role of hybridization in the rapid invasion of fall armyworm）的研究论文。该研究利用来自全球四大洲的不同亚型草地贪夜蛾样本及大规模群体基因组数据解析了该物种在全球快速入侵的基因组适应性机制。

生物入侵对全球农业生产和生物多样性构成了严重威胁，然而促进入侵物种在新栖息地快速定殖和扩散的适应性机制仍有待于进一步深入探索。草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）是联合国粮农组织全球预警的重大迁飞性、暴食性农业害虫，原产于美洲热带和亚热带地区，自2016年入侵非洲以来，已迅速扩散到东亚、东南亚以及大洋洲等地。草地贪夜蛾根据寄主偏好性分为水稻型和玉米型两种生物型，不同生物型在基因组上存在明显差异。尽管两种生物型之间的杂交已被广泛记录，但这种杂交是否影响该物种的入侵和适应能力尚不清楚。

该研究收集了全球范围内432个草地贪夜蛾样本的全基因组测序数据，涵盖了该物种美洲原生地和非洲、东亚、东南亚等主要入侵地，并重点对中国的入侵样本进行了测序。群体遗传学分析进一步支持了该物种美洲起源，并以非洲为桥头堡快速扩散至亚洲的入侵历史过程。与原生地种群相比，草地贪夜蛾的入侵地种群表现出高度分化的遗传结构以及高度同质化的遗传背景，这一遗传背景与原生地两种生物型及两种生物型的杂交型均具有显著差异，代表了一种全新的杂交类型（图1）。

图1 基于全基因组单核苷酸多态性位点解析的草地贪夜蛾群体遗传结构

对原生地和入侵地种群遗传特征的分析显示，尽管入侵地种群基因组位点间更高的连锁不平衡暗示了潜在的瓶颈效应，但入侵地种群却表现出显著高于原生地种群的遗传多样性，这与瓶颈效应、奠基者效应和近亲交配导致入侵地种群遗传多样性下降的预期相违背，表明不同生物型的杂交可能显著提高了入侵地种群的遗传多样性（图2）。

图2 草地贪夜蛾原生地和入侵地种群的遗传多样性和群体历史动态

进一步对与入侵过程相关的基因组自然选择信号的分析发现，与环境压力响应、解毒代谢过程和能量供应相关的基因位点在不同入侵地种群都受到选择。对原生地种群的选择分析揭示了入侵过程中受到选择性清除的基因位点可能在原生地由平衡选择维持了高度的多态性（图3），使入侵地种群更易通过遗传瓶颈。同时，研究还发现了70个与脂质代谢和解毒过程相关的关键基因，这些基因在美洲到非洲的初次入侵过程中经历了选择性清除，但在非洲到亚洲的二次入侵中恢复了多态性，表现出多样化选择特征（图4）。对这些受选择基因位点与亚型分化标记Z染色体磷酸丙糖异构酶基因（Tpi）的连锁分析发现，25%的受选择位点与亚型分化标记Tpi基因的变异位点显著相关，这种关联在入侵地种群中尤为明显，其中991个受选择位点与亚型分化显著相关，显著高于原生地种群的298个位点，表明不同生物型的杂交对关键基因多态性的维持起到了重要的作用。

图3 草地贪夜蛾入侵地种群的自然选择信号与原生地种群的平衡选择信号

该研究通过群体基因组学的方法解析了不同生物型杂交在维持草地贪夜蛾入侵地遗传多样性中的作用，同时揭示了原生地平衡选择对其全球入侵过程的重要贡献。这一发现不仅阐明了这一全球性入侵害虫实现快速扩散的遗传基础，还为具有种内多态性的物种如何快速适应新环境提供了新的见解。

图4 草地贪夜蛾初次入侵和二次入侵过程中的自然选择信号及基因功能富集

中国农业大学植物保护学院已毕业博士生王璇和杜振勇为论文共同第一作者，李虎教授为论文通讯作者，团队彩万志教授、段元格副教授、田里副教授、宋凡副教授、博士后李冰艳和马玲，中国科学院动物研究所刘山林研究员，全国农业技术推广服务中心刘杰，滁州学院吴云飞博士也参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金、博士后国际交流计划派出项目、中国农业大学2115人才发展培育计划和昭通市专家工作站等项目的资助和支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2024.09.028