陆剑课题组揭示黑腹果蝇演化历史和环境适应机制

环境适应的遗传机制是演化生物学中的重要问题，但自然群体中适应的分子机制和遗传规律还存在很多未解决的难题。例如，受正选择的基因与环境胁迫之间的对应关系还不清晰；适应发生时，更多的依靠群体中的既有变异还是新生变异还存在争议；对不同的环境适应具有怎样的遗传架构也还有待研究。

黑腹果蝇是重要的模式生物，起源于热带非洲，在近期扩散到世界各地，为系统的研究环境适应的遗传机制提供了很好的材料。然而，以往研究多集中在欧洲、北美和非洲群体，对亚洲地区的果蝇缺乏了解，该物种的自然群体在全球尺度的演化历史和适应不同环境的遗传机制尚不清楚。

2024年4月17日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室陆剑课题组在Science Advances发表题为“From sub-Saharan Africa to China: evolutionary history and adaptation of Drosophila melanogaster revealed by population genomics”的论文。研究通过野外采样和测序获得了中国各地的292个黑腹果蝇基因组（图1A），并整合已发表的数据，建立了全球1356个黑腹果蝇基因组队列（图1B）。利用群体基因组学分析，该研究系统揭示了黑腹果蝇的群体遗传结构、群体间基因流、群体分歧历史和自然选择信号，并结合群体箱实验验证了自然群体中的正选择信号与杀虫剂抗性相关。

研究首先解析了全球黑腹果蝇的群体遗传结构（图1C、D）。主成分分析和ADMIXTURE的研究结果表明全球的黑腹果蝇可分为六个遗传群，其中撒哈拉以南非洲的三个遗传群（南部非洲、东部和西部非洲、埃塞俄比亚）比走出非洲的三个遗传群（北美和大洋洲、欧洲和北非、亚洲）有更高的遗传多样性。采自中国的黑腹果蝇代表了一个独特的支系，多态性与其他走出非洲的群体相当。在中国内部，新疆地区和青藏高原地区的品系与中国其他地区的品系出现了轻微的遗传分化，且不同染色体上的遗传结构存在差别。研究还发现，各个群体中都有不同程度的遗传混合，表明可能存在复杂的群体历史和基因流。

图1. 黑腹果蝇基因组的地理来源和遗传结构。（A）中国292个黑腹果蝇品系的地理位置；（B）全球1356个果蝇基因组的地理来源；（C）基于X染色体中性位点的主成分分析结果；（D）基于X染色体中性位点的ADMIXTURE结果。

研究结合多种方法重建了黑腹果蝇在全球的演化历史。通过TreeMix和f统计量分析，研究厘清了各群体的系统发生关系，结果支持非洲外群体来自于一次走出非洲的事件；研究鉴定了多个群体混合和基因流事件，不仅验证了以往研究报道的北美和大洋洲的果蝇群体来自欧洲和非洲群体的近期混合，还揭示了三个新的基因流，包括：1）欧洲向南非的基因流；2）中国向埃塞俄比亚的基因流；3）欧洲向中国新疆的基因流。值得注意的是，以往研究大多发现X染色体上基因流较少（Bergland et al. 2016, Molecular Ecology），但本研究发现从欧洲到中国新疆的基因流富集在X染色体上，这种特殊模式可能由雌性为主的基因流或X上的基因流受到自然选择偏好造成。研究还进一步针对中国的黑腹果蝇群体构建了演化模型，模型估计大约9000年前，中国和法国群体的共同祖先与非洲赞比亚群体分开，大约2800–4400年前中国的群体与法国群体分开，中国青藏高原的群体和新疆的群体分别在约491年前和270年前与中国其他地区的群体分开。

果蝇是人类的伴生动物，其群体间基因交流与人类活动关系密切。以往研究表明新疆是东西方人群混合的重要区域，本研究发现新疆也是果蝇群体混合的关键地区。此外，人类活动，特别是海运可能为果蝇的长距离扩散提供适宜的庇护和食物。本研究发现的欧洲与南非的基因流可能与殖民历史相关，中国与埃塞俄比亚的基因流可能与海上贸易相关。在近期，随着人口增长和人类活动的加剧，黑腹果蝇可能随人类扩散到以往不适合其生存的新环境，如高寒干燥的地区。本研究结果为理解人类和其伴生动物的演化历史提供了新的观点。

图2. 黑腹果蝇在全球尺度的演化历史模型

研究进一步使用Fay and Wu’sH，PBE和Ohana三种方法在各主要群体中检测出了数百个受选择的基因，这些基因参与了多种生物学过程，信号最强的与杀虫剂代谢相关。在中国内部，新疆和青藏高原的群体中也检测到群体特异的自然选择，受选择基因与氧化应激（Pi3K92E）、盐胁迫（NFAT）、胰岛素信号通路（raptor、Sik3）等有关，反映了独特的环境适应过程。本研究分析了主要群体中与杀虫剂抗性相关的受选择基因，在中国的黑腹果蝇中，基因Ace和基因簇Cyp6a22–Cyp6a8有群体特异的正选择信号（图3A）。对这两个区域的进一步分析发现Ace基因上的3个错义突变、以及Cyp6a22–Cyp6a8基因簇中的一个缺失变异导致的Cyp6a17/23基因融合在中国的群体中有很高的频率（图3B）。研究还发现杀虫剂适应相关的受选择位点的变异产生时间远早于大规模使用合成杀虫剂的历史，说明既有变异在杀虫剂适应中有重要贡献。

图3. 杀虫剂适应相关的选择信号。（A）各主要群体中杀虫剂相关的自然选择信号；（B）Cyp6a17和Cyp6a23区域结构变异在各群体中的等位基因频率；（C）群体箱实验中高效氯氟氰菊酯抗性相关位点在基因组上50 kb滑动窗口中的富集情况。

为了验证自然群体中的选择信号是否与杀虫剂相关，研究对来源于中国野外200个品系的2000只雄蝇使用混合分选测序的方法鉴定了高效氯氟氰菊酯抗性相关的变异位点。这些位点在基因组上呈现聚集分布，其中最强的信号之一位于Cyp6a22–Cyp6a8基因簇，与之前鉴定的正选择信号重叠，同时还发现了其他的候选基因（图3C）。这一结果建立了自然群体的选择信号与环境胁迫之间的关联。

综上，本研究系统解析了全球黑腹果蝇的群体遗传结构、演化历史和正选择信号。研究重建了黑腹果蝇的扩散历史，阐明了中国黑腹果蝇的独特性和轻微的内部分化，揭示了不同果蝇群体间广泛的基因流和其与人类活动的密切关系。研究鉴定了不同群体中的正选择基因，发现杀虫剂抗性相关的选择是普遍存在的，并结合群体箱实验证明了自然群体中受选择基因与杀虫剂抗性的联系。研究为理解果蝇的环境适应机制提供了新的见解。

北京大学生命科学学院博士后陈俊豪、博士研究生刘晨露和李伟轩为该论文的共同第一作者，北京大学生命科学学院陆剑教授、康奈尔大学Andrew Clark教授为该论文的共同通讯作者，北京大学生命科学学院张文霞教授和湖南大学生物学院王奕蓉副教授对该论文做出了重要贡献。该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委等机构和项目的支持。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh3425