杀人蜂

1、前言

1956年，一种非洲蜜蜂亚种(Apis mellifera scutellata)在巴西实验室发生群体逃离，导致了与当地欧洲蜜蜂(EHB)的大规模杂交。这就导致了非洲化蜜蜂(AHB)这种臭名昭著的侵略性、混合性、侵略性、新世界杂交种群。AHB在30年内实现了洲际分布，目前常见于新热带和近热带的南部范围。侵略的AHB对人类的影响有充分的文献记载，并已造成数人死亡，引起了公众的广泛关注，1994年，高度侵袭性的AHB首次在加勒比海和波多黎各的岛屿被发现。波多黎各入侵的一个显著特征是，在大约12代蜜蜂(1994-2006)中，极具攻击性的创始人AHBs的攻击性急剧下降，导致了温和的AHB (gAHB)。波多黎各种群目前的侵略水平与EHB相似。然而，gAHB保留了与AHB相关的其他典型特征，例如形态测量维度、Varroa寄生虫清除行为和蜂王发育更快。攻击性通常是多基因的，其适应价值取决于环境的相互作用，因此，简单的选择性扫荡不太可能解释这种复杂行为特征的快速进化。在gAHB中，类似于温和进化的时间尺度上的快速表型变化已被广泛记录在一系列生物体中，但介导这些变化的机制不同于经典的选择模型。越来越多的证据表明，外加剂或选择性扫瞄一个或多个loci可能介导表型的这种快速变化。然而，很少有行为特征快速进化的例子，如果没有基因组分析，就不清楚这种复杂的特征如何在选择性育种之外发生快速变化。因为它们依赖于许多基因产物的结合，可能是上位相互作用，其中许多可能具有多种功能。行为表型可能需要比单基因位点单独产生明显的选择优势并在持续选择下最终被固定的模型更为复杂的模型。为了理解这种显著的攻击性下降是如何如此迅速地进化的，我们对来自波多黎各gAHB、来自墨西哥的AHB、来自美国的EHB，(每个群体n = 30)的整个基因组进行了测序，平均×20。最终产生了2 808 570个SNP变异，这些变异是在种群内部和种群之间发生的。我们利用蜜蜂的单倍体性别鉴定系统，只对单倍体(男性)基因组进行测序，以消除单倍体期的歧义。我们假设，在gAHB进化过程中唯一被选择的基因组区域将是那些与AHB不同、表现出更类似于EHB的等位基因的区域，以及在岛屿种群中唯一被积极选择的基因组区域。

 为了简化我们的分析，我们研究了gAHB中攻击性的降低是否伴随着与EHB进化过程中选择的相同等位基因的频率改变，EHB也来自非洲更新世的侵略性种群这个假设允许我们 开发统计强大的三角分析。我们的方法确定了gAHB中选择的基因组区域，其也显示了EHB样等位基因谱。 这些是GAHB类似EHB攻击的候选基因座。 这些区域的单倍型块分析显示，在在EHB或AHB群体中未发现的许多单倍型在gAHB中迅速变得普遍，但在选择的任何区域中很少的单倍型在gAHB群体中是固定的。 我们的结论是，随着AHB向gAHB的进化，基因组中的许多位点都出现了一种温和的选择性扫描，这种扫描可能导致了AHB在进化过程中攻击性的降低。

2、结果

1、Signatures of selection.

我们使用扩展的单倍型纯合子性(Rsb)来识别与AHB或EHB群体相比，gAHB群体中更强的高度区域化的遗传连锁信号，例如基因组中的选择区域（图一）。该方法鉴定了28,086个snp位点，它们位于250个基因中。

 The reciprocal best hit Drosophila melanogaster homologs for these 250 honey bee genes(where available) were used against a background set of all D.
melanogaster reciprocal best hits identified in the honeybee genome (7073 genes) for a Gene Ontology (GO) analysis using the DAVID Gene Ontology bioinformatics database

7073个同源D. melanogaster基因相比，在这250个阳性选择区域的基因中，几个GOterm明显被过度表达（S table1）。该分析通过使用固定指数(FST)两两比较的对比得到补充。在gAHB和AHB以及EHB和AHB的比较中，发现snp具有极端的FST值，但在gAHB和EHB的比较中，snp的值较低。仅对FST信号的分析表明，在任何个体比较中，很少有基因座接近固定。与其他比较相比，gAHB和AHB的FST值较低，进一步证明了gAHB的AHB起源（fig S1）。FST对比的应用进一步缩小了SNP候选基因的范围，突出显示了gAHB中正在筛选的具有EHB样等位基因的SNP候选基因。通过Rsb，选择最强烈特征的位点也包含许多具有EHB样等位基因谱和显著FST分数的SNPs (Fig. 1)。我们将其解释为gAHB种群在选定的位点上进化出更类似于EHB的形态，从而代表了可能与温和行为进化相关的位点。通过计算复合选择得分(CSS)，并分离出在FST和Rsb指标中都有极端得分的snp，我们得到164个在gAHB群体中具有选择特征的snp

 2、Haplotype analysis and gene annotation

在这两个指标中（FST及CSS）许多拥有极端值得的snp都共同定位于相同的基因。因此，我们进行了单倍型块识别，以在选定的snp周围区域捕获更广泛的信号。在蜜蜂基因组中鉴定出216655个单倍型块，其中128个块包含164个感兴趣的snp中的至少一个。正如预期的那样，由于蜜蜂高度重组的基因组，单倍型块的大小很小，大多数块的跨度小于5000个碱基对(补图2)，平均每个含有30snp。在我们鉴定的128个单倍型块中，56个位于基因间区，这可能表明调控序列受选择压力的影响。35个蛋白编码基因的外显子或内含子包含其余72个选择片段。这些基因中有20个已经在黑腹果蝇中找到了同源基因，有几个与蜜蜂攻击性的调节有关。它们参与多种过程，包括转录调节、蛋白质修饰和运输、细胞粘附和染色质结合。我们使用单倍型网络分析来研究128个单倍型块的选择是否有利于gAHB中的EHB单倍型，或者不同的进程是否控制gAHB中选择的位点(Fig.2a).结果显示，AHB和EHB群体中存在的某些单倍型在gAHB中似乎变得更加频繁(图2b)。此外，一些在gAHB中高频出现的单倍型在采样时是这个群体所特有的(图2)。我们的分析显示:(1)AHB在这些位点广泛的单倍型变异，远远超过在其他两个种群中发现的，(2)gAHB单倍型在某些情况下与EHB单倍型吻合较强，但并非全部，在gAHB中，gAHB特异性单倍型进化或gAHB群体中罕见的单倍型频率大大增加的证据在EHB和AHB样品中未检测到（图2）。这些结果进一步支持了gAHB中不同于EHB进化的软选择扫描事件，即多个单倍型在多个位点共同达到相似的频率。

3、Analysis of population diversity and selection using the sex determination locus.

csd位点的纯合子个体产生二倍体雄性，这是该系统代价高昂的副产品，因为它们产生不育的雌性(蜂王)，因此被工蜂杀死。最近的研究表明，在csd中平衡选择是澳大利亚Apis cerana入侵的关键进化驱动因素。这一证据表明，csd等位基因在种群中的分布可用于评估在生物入侵背景下的Apis种群多样性。利用gAHB的等位基因谱来确定平衡选择倾向于罕见的csd等位基因是否是gAHB进化的驱动因素，以及它是否能够解释种群中仍然存在的高遗传多样性。我们使用P(d)(方法)来计算我们测序的单倍体gAHB雄蜂后代的二倍体雄蜂的似然度量。在这三个种群中，gAHB产生二倍体雄蜂的可能性最高。在gAHB中预测二倍体男性的可能性几乎是在AHB中预测的两倍，在EHB中预测二倍体男性的可能性是三倍多。gAHB的csd等位基因总数较低，支持了一个维持了约10年的瓶颈效应。此外，在gAHB中的csd等位基因显示出非常不均匀的频率。如果平衡选择是gAHB进化的一个驱动因素(就像澳大利亚a.cerana种群那样)，那么我们的预期是，在相同频率的多个等位基因将在种群中普遍存在。一个等位基因在gAHB中最为常见(补充图4)，这是不可能的。

 4、Relationships between gAHB and other honey bee populations.

系统发育分析显示，gAHB是一个单系群体，可能来源于AHB-EHB谱上的创始群体(图3a)。与此一致，聚类分析显示AHB样簇(n = 56)和EHB样簇(n = 34)存在明显差异(补充图5)，令人惊讶的是，虽然所有gAHB样本都聚类在AHB内，但仍有部分AHB (n = 4)样本被一致分配到EHB聚类中。为了进一步研究已知蜜蜂种群中gAHB的基因组谱，我们利用了之前发表的全基因组数据集。这两个集合的交集包含1,049,512个变体调用，占Wallberg等人调用的60%。SNP集合和37%的SNP这里被测试。主成分分析进一步证实了gAHB与墨西哥混合AHB种群关系最为密切，提示gAHB起源于墨西哥北部的AHB美洲大陆(图3b)。先前描述的来自巴西的16个AHB种群(wAHB;图3b)显示，与墨西哥AHB人群相比，EHB + C组添加的admixture明显较少。最近的研究还表明，M组在巴西群体中可能有更大的贡献。如果在入侵事件和瓶颈后岛上发生了gAHB和EHB的混合，我们没有观察到预期的模式。相反，gAHB种群形成了一个定义良好的集群，支持从与墨西哥AHB密切相关的具有侵略性的AHB创始种群起源。