解析環境适應的遺傳機制是進化生物學中的重要問題。關于适應的遺傳機制還有很多問題需要探究，比如适應發生更多的依靠群體中新産生的有利變異還是利用群體中既有的遺傳變異？常染色體和X染色體在環境适應中是否具有不同的作用？不同環境的适應機制具有怎樣差異的遺傳架構（genetic architecture），是由少數具有主要效應的基因決定，還是由大量的微效的位點共同影響？蛋白質編碼變化和基因表達變化在适應中那個具有更重要的作用？

黑腹果蠅是重要的模式生物，該物種起源于熱帶非洲，在近期擴散到世界各地，并迅速适應了當地的環境。該物種有效種群數目大，自然選擇特别有效，是研究環境适應的遺傳機制和回答上述問題的理想系統。然而，該物種自然群體在全球尺度的演化曆史和适應不同環境的遺傳機制尚不清楚。

2024年4月17日，beat365官方网站陸劍課題組在Science Advances發表題為“From sub-Saharan Africa to China: evolutionary history and adaptation of Drosophila melanogaster revealed by population genomics”的研究論文。圍繞環境适應的遺傳機制這一問題，研究采集測序了中國292個黑腹果蠅基因組，結合公共數據庫中的基因組，得到了1356個黑腹果蠅基因組數據集，包含了全球22個主要的群體。研究系統揭示了黑腹果蠅的群體遺傳結構、群體間基因流、群體曆史動态和正選擇信号，并結合群體箱實驗驗證了自然群體中正選擇與殺蟲劑抗性的關聯。

研究首先用中性位點解析了全球果蠅的群體遺傳結構，重建了黑腹果蠅的演化曆史，并檢測了各群體間的基因流。研究結果表明全球的黑腹果蠅可分為六個遺傳群，采自中國的黑腹果蠅是一個獨特的支系。中國内部的品系出現了輕微的遺傳分化，可以分為青藏高原地區、新疆地區和中國其他地區三個亞群體（圖1）。

圖1. 黑腹果蠅基因組的地理來源和遺傳結構。

（A）中國292個黑腹果蠅品系的地理位置；（B）全球1356個果蠅基因組的地理來源；（C）基于X染色體中性位點的主成分分析結果；（D）基于X染色體中性位點的ADMIXTURE結果。

研究重建了黑腹果蠅各群體的基因流和分歧曆史（圖2）。研究的結果不但驗證了已被報道的歐洲和非洲群體的近期融合形成了北美和澳大利亞群體，還發現了歐洲流向南非，中國流向埃塞俄比亞，歐洲流向中國新疆這三個基因流，并發現流向中國新疆的基因流富集在X染色體上，可能是由雌性主導或者自然選擇造成。基于等位基因頻譜信息，研究建立了黑腹果蠅的演化曆史模型，發現中國和法國群體的祖先與撒哈拉以南群體的分歧時間大約是9000年，中國和法國群體的分歧時間大約是2800–4400年，中國青藏高原和新疆的群體大約在491年前和270年前與中國其他群體分歧。研究發現果蠅的演化曆史與人類活動關系密切，為理解人類和其伴生動物的演化曆史提供了新的觀點。

圖2. 黑腹果蠅在全球尺度的演化曆史模型

在解析了果蠅演化曆史的基礎上，研究使用了Fay and Wu’s H，PBE和Ohana三種方法，分别利用等位基因頻譜偏移、群體特異的遺傳分化以及考慮群體遺傳結構下的祖先成分的快速分化等特征，檢測了不同進化尺度的自然選擇。研究在主要群體中各檢測到了數百個受正選擇的基因，廣泛參與各種生命過程。研究還發現，當使用PBE檢測中國的三個亞群體的選擇信号時，分别在青藏高原群體和新疆群體中檢測到54和146個基因受正選擇，主要存在于X染色體上，中國其他群體中隻檢測到1個基因受正選擇。中國的三個亞群體在約200–500年前才分開，處在分化的早期，這些結果表明X染色體可能在早期的分化和适應中具有更重要的作用。

研究發現不同群體中受正選擇的基因很多都與殺蟲劑抗性相關，但同樣的基因在不同群體中的受選擇情況存在差異。比如基因Ace在所有的群體中都有正選擇信号，但其中的3個錯義突變的頻率在中國的黑腹果蠅中進一步升高。Cyp6a17/23基因融合在美國群體和中國群體中都受到選擇，但不同群體中主要的等位基因具有不同的斷點。這一研究結果與已報道的Cyp6g1基因參與對DDT的适應過程類似，揭示了殺蟲劑适應是一個複雜的過程，可能涉及多個步驟和多個等位基因。使用溯祖的方法對中國群體中殺蟲劑适應相關的受選擇位點的産生時間進行估計，發現這些變異的産生遠早于化學合成殺蟲劑的使用曆史（約一兩百年），說明殺蟲劑的适應涉及很多既有變異。為驗證受選擇基因的功能，該研究還使用群體箱分選和測序方法鑒定了自然群體中與常用的一種殺蟲劑高效氯氟氰菊酯抗性相關的遺傳變異，發現關聯信号富集程度最高的區域與Cyp6a17/23存在重疊，這一結果建立了該區域正選擇信号與殺蟲劑抗性的關聯（圖3）。

圖3. 殺蟲劑适應相關的選擇信号。

（A）各主要群體中殺蟲劑相關的自然選擇信号；（B）Cyp6a17和Cyp6a23區域結構變異在各群體中的等位基因頻率；（C）群體箱實驗中高效氯氟氰菊酯抗性相關位點在基因組上50 kb滑動窗口中的富集情況。

綜上，本研究重建了黑腹果蠅從非洲擴散到世界各地的演化曆史，解析了不同水平的群體遺傳結構，揭示了群體間廣泛的基因流和與人類活動的密切聯系。研究系統鑒定了果蠅群體在不同進化尺度上的正選擇，揭示了果蠅環境适應中的複雜性，強調了既有變異在适應過程中的重要性，還解析了高效氯氟氰菊酯抗性的遺傳架構，為理解果蠅的環境适應機制提供了新的見解。

beat365官方网站陸劍教授、康奈爾大學Andrew Clark教授為該論文的共同通訊作者，beat365官方网站博士後陳俊豪、博士研究生劉晨露和李偉軒為該論文的共同第一作者，beat365官方网站張文霞教授和湖南大學生物學院王奕蓉副教授對該論文做出了重要貢獻。該工作得到了國家科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委等機構和項目的支持。

原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh3425