中国农业科学院发现共生菌在昆虫体内存在强烈自然选择的直接证据

许多母系遗传的内共生菌是宿主动物生长繁殖必需的组成部分，然而内共生菌也为宿主带来了巨大风险，例如其基因组可通过基因漂变或自私突变诱发寄主死亡等。目前研究寄主与共生菌关系的模式体系是蚜虫与专性内共生菌布赫纳氏菌。本研究构建了异质共生菌的母系豌豆蚜，即同时包含一对基因型密切相关的布赫纳氏菌品系，并使用诊断性标记片段的深度测序监测布赫纳氏菌不同单倍型的频率变化。此方法可以评估布赫纳氏菌在宿主体内的有效种群数量，即有效传播的瓶颈作用大小和宿主内选择的程度。结果显示，蚜虫宿主内布赫纳氏菌有效种群数量在10-20之间，说明共生菌具有很强的遗传漂移和有害突变固定能力。同时，布赫纳氏菌单倍型也会受到强烈的宿主内选择，选择系数高达每代0.5，这意味着在每个世代的传递过程中，有一半布赫纳氏菌基因型会完全丢失。同时，我们在“豌豆蚜-布赫纳氏菌”的研究系统中使用了两种环境压力研究共生菌自然选择方向：在热胁迫下，布赫纳氏菌的选择方向取决于外界压力，此时它与宿主的选择方向相同；而一个新的突变体单倍型在两种环境下都有很强的宿主内优势，但对宿主的适应性没有明显影响。因此，布赫纳氏菌在宿主内的强烈选择压力可以直接导致突变基因型的快速固定，即使对宿主水平的适应性影响并不显著。综上，这项研究结果表明，宿主内的自然选择通过驱动共生菌进化，从而加速了寄主与共生菌的协同进化。

本研究的重要意义在于用实验验证了遗传性共生菌进化的驱动方向和产生独特基因组特征的原因。由于很多专性共生菌不可培养，且进化机制极其复杂，因此共生菌传递的瓶颈效应可以显著加速对两者均有害的突变型传播。本研究结果证明共生菌在寄主内经历了强烈的自然选择，从而使一些共生菌基因型在后代中更成功，同时这种极强烈的的传播瓶颈效应，也提供了共生菌基因组中持续积累有害突变的理论依据。

研究论文“Strong within-host selection in a maternally inherited obligate symbiont: Buchnera  and aphids”于近日在线发表在《美国科学院院刊PNAS》上，天敌昆虫保护与利用创新团队张博副研究员与得克萨斯大学Julie Perreau并列第一作者。本研究得到了中国农科院创新工程等项目的支持。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/118/35/e2102467118.long

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