基因驅動（gene drive）具有在種群中将特定基因型或性狀偏向型遺傳給後代的潛力，即通過超孟德爾遺傳将特定的基因型或性狀擴散至種群中^[1]。

基于CRISPR技術的基因驅動系統在清除入侵物種、抑制有害生物種群、改造媒介昆蟲并阻斷疾病傳播等方面，具有極大發展前景。空間模型對于預測基因驅動系統的種群抑制效果具有重要意義。研究發現，由于空間環境中野生型個體在空餘生态位的重新定殖，驅動個體為了抑制目标種群而追逐的現象持續存在，緻使驅動效率較高的驅動系統也可能無法抑制目标種群^[2,3]。然而實際環境中，同一生态位下可能存在多種物種，與目标種群可能存在競争/捕食關系，對目标種群的抑制效果存在一定影響。

2023年5月10日，beat365官方网站Jackson Champer研究組在Ecology Letters期刊發表題為“Adversarial interspecies relationships facilitate population suppression by gene drive in spatially explicit models”的研究論文。該論文發現在通用模型和蚊子模型中，競争物種/捕食物種的存在均可促進抑制目标種群，表明抑制驅動效率較低的物種同樣有望在空間環境中實現種群抑制。

該研究在通用模型及蚊子模型中分别模拟了以下三種物種關系中的種群動态變化情況：（1）兩個競争物種在同一區域共存，其具有不同生态位，隻在一定程度上相互競争（圖1A）。（2）兩個競争物種偏好性分布于其優勢區域，同時，物種的遷徙導緻資源競争（圖1B）。（3）捕食關系（圖1C）。下文将以蚊子模型為例進行闡述。

圖1 物種關系示意圖

（1）由于大多數蚊子的生命周期大緻相似，因此本研究簡化模型并假設兩個物種具有相同的繁殖規律，且兩者之間競争強度一緻。與通用模型一緻，當競争因子和競争物種數量較高時，目标種群大多可以在不發生追逐的情況下被抑制；若兩者較低，目标種群與競争種群出現長期追逐的現象，即種群抑制失敗。同樣，該模型在中間參數範圍内也出現驅動丢失的主要結果（圖2）。

（2）考慮到不同蚊子種群有其偏好性生态環境，本研究将模型模拟區域一分為二，以此代表不同生态環境（圖1B），各個種群在其偏好環境下具有一定優勢。在此類情況下，決定物種間重疊程度及競争因素的種群遷移率至關重要。圖3結果表明，高遷移率可以促進抑制目标種群，而遷移速率越低，長期追逐及驅動丢失的現象則成為主要結果。

圖2 蚊子競争關系模型

圖3 不同區域蚊子競争模型

（3）捕食關系在自然界中同樣常見，例如蜻蜓、壁虎、食蚊魚等均是蚊子的天敵。該研究假設所有捕食者隻在蚊子幼蟲階段進行捕食以簡化模型。捕食強度和捕食者資源比例分别表示捕食者對蚊子的攻擊性以及蚊子在捕食者獵物中所占比例。結果表明，隻有在較高的捕食強度下，蚊子種群才得以成功抑制；此外，基因驅動丢失的結果更為頻繁（圖4）。

圖4 蚊子捕食關系模型

此外，蚊子（特别是傳播瘧疾的按蚊）的種群數量在很大程度上受到氣候影響，其數量可在潮濕雨季擴增，而在旱季則急劇下降。此類環境波動可能會增加抑制驅動結果的随機性，甚至有助于抑制型基因驅動。該研究在競争模型中模拟了此類情況，同時改變競争因子和季節性強度（圖5）。結果發現，部分目标種群在雨季開始時會脫離競争的影響，且随着季節性強度的增加，抑制驅動效果反倒有所降低。當競争激烈至足以抑制目标種群時，高濕度可導緻種群被追逐一段時間後再抑制的現象。

圖5 季節波動下蚊子競争關系模型

綜上，本文表明多物種建模在基因驅動預測中的必要性，複雜的生态環境可能促進抑制型基因驅動的成功。

beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心Jackson Champer研究員為該論文通訊作者，實驗室成員劉亦然為該論文第一作者，beat365官方网站畢業本科生張偉建、楊昊宸對文章做了重要貢獻。本研究得到北京大學、beat365官方网站啟東産業創新基金、國家自然科學基金的支持。

原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ele.14232

參考文獻：

[1] Wang G, Du J, Chu C, Madhav M, Hughes G L, Champer J, Symbionts and Gene Drive: Two Strategies to Combat Vector-Borne Disease. Trends in Genetics, 2022.

[2] Champer J, Kim I K, Champer S E, et al. Suppression gene drive in continuous space can result in unstable persistence of both drive and wild-type alleles. Molecular Ecology, 2020.

[3] Liu Y, Champer J. Modeling homing suppression gene drive in haplodiploid organisms. Proceedings B, 2022.