综述：将蚊子基因组学整合到模拟建模中：实现更明智生物防治的机遇

《Current Opinion in Insect Science》：Integrating mosquito genomics into simulation modeling: Opportunities for better-informed biocontrol

这篇综述系统阐述了如何利用蚊子基因组学数据提升生物防治模拟模型的预测准确性。作者指出，随着沃尔巴克氏体（Wolbachia）感染蚊子和基因驱动（gene drive）等新型生物防治工具从实验室走向田间，数学模型在评估干预措施效果中扮演关键角色。文章重点探讨了基因组数据在阐明蚊子种群结构、基因流动（gene flow）、向导RNA（gRNA）靶点遗传变异（SGV）、种群复苏来源、交配行为以及近交衰退（inbreeding depression）等方面的应用潜力，强调通过整合这些基因组学见解，能够开发出更具情境特异性、预测能力更强的模型，从而为 efficacy and risk assessment、田间试验设计以及提升监管和公众信任提供有力支持。

　　

蚊子传播的疾病仍然是全球健康的重大负担，传统的控制措施因杀虫剂抗性等问题效力减弱。新型生物防治工具，特别是基于沃尔巴克氏体（Wolbachia）的种群替换和基于CRISPR的基因驱动（gene drive）技术，正迅速发展。数学模拟模型在评估这些干预措施的预备状态、设计试验和预测结果方面至关重要。然而，模型的预测能力严重依赖于参数的准确性。蚊子种群基因组学的兴起为解决这一挑战提供了强大机遇，它能为模型提供关于种群动态的关键实证数据。

基因流动与种群结构

准确理解基因流动（gene flow）对于为蚊子生物防治试验和干预提供信息的模型至关重要。对于自主性生物防治工具，如沃尔巴克氏体替换或基因驱动，基因流动速率决定了干预措施在种群间传播的速度。对于抑制性工具，如不育昆虫技术（SIT）及其类似技术，基因流动速率预测了野生型蚊子重新定殖局部被清除种群的速度。

基因组学在蚊子生物防治模拟模型中的主要应用至今仍是评估基因流动速率。泰勒（Taylor）等人2001年的研究联合使用标记-释放-重捕（MRR）实验和微卫星基因组分析，表征了马里Banambani地区附近村庄的冈比亚按蚊（An. gambiae）复合体姊妹种的有效种群大小（N_e）和基因流动速率。基于21个微卫星位点等位基因频率计算的F_ST值被用来推断N_e和基因流动率m的乘积。这些估计值此后被广泛用于参数化按蚊疾病媒介和基因驱动释放的空间显式模型。

近来，遗传分配方法（如GenePlot, assignPop, LOCATOR软件）被用于在蚊子生物防治背景下参数化邻近城镇间的迁移率。这些方法能直接洞察当代扩散，在种群间遗传分化显著时尤其有效。拉希克（Ra?i?）等人对澳大利亚昆士兰邻近城镇的埃及伊蚊（Ae. aegypti）进行研究，基于全基因组SNP数据的分配测试检测近期迁移个体，进而推断迁移率，并将这些基因组衍生的迁移率用于MGDrivE 2生物防治模型的模拟。

一项新兴的基因组学方法——近缘标记重捕（CKMR）尚未用于参数化生物防治模拟模型。CKMR类似于MRR，但其“标记”是遗传确定的近亲关系，无需物理标记和重捕。它可以用于估计种群大小、死亡率、平均扩散距离等参数。虽然蚊子CKMR方法已被开发，但尚未应用于野外数据。更简单的基于近亲空间分布的CKMR类似方法已用于估计埃及伊蚊的平均世代扩散距离。

另一个有前景的方法是估计有效迁移表面（EEMS）及其相关方法FEEMS。这些方法能可视化景观中迁移升高或降低的区域。最近的应用中，EEMS被用于分析圣多美和普林西比岛屿上采集的柯氏按蚊（An. coluzzii）样本的基因组数据，揭示了与道路和城市中心对齐的高基因流动走廊，以及与国家公园相关的基因流动阻力区。在非洲大陆的冈比亚按蚊复合体上，EEMS分析显示基因流动的走廊和屏障不仅因地理而异，也因物种而异。

向导RNA靶点的基因组变异

蚊子基因组学最近也被用于参数化生物防治模拟模型中向导RNA（gRNA）靶点的遗传变异（SGV）。基于CRISPR的基因驱动系统包括Cas酶和一个或多个gRNA。模型研究预测，gRNA靶点位点含有突变的等位基因（其中一些是驱动抗性的）对基因驱动干预的成功影响最大。

最近的基因组学研究调查了来自撒哈拉以南非洲的1000多只冈比亚按蚊标本中潜在靶点位的多态性。由于CRISPR技术的通用性，靶点被广泛定义为位于蛋白质编码基因转录本内、一端具有PAM序列的23个碱基对片段。研究发现，约90%的所有蛋白质编码靶基因至少有一个靶点的抗性等位基因频率低于1%。

这些预先存在的驱动抗性等位基因随后被纳入蚊子生物防治模拟模型。模型证实，对于初始存在频率低于1%的抗性等位基因，并且在每次同源驱动事件中抗性等位基因以约1%的速率产生的情况下，种群修饰基因驱动系统预计能在超过3年内将疟疾媒介能力降低95%以上（用于局部消除疟疾的标准）；而对于种群抑制系统，要达到此标准，抗性等位基因的初始频率需要低于10^-7。

识别种群复苏的来源

最近的一项基因组学研究探讨了非洲萨赫勒地区季节性疟疾媒介复苏的来源。了解抑制后种群复苏的奠基者来自何处，对于预测反弹动态和优化控制策略至关重要。

在萨赫勒地区，季节在干旱和雨季之间循环。随后的雨季蚊子如何复苏存在争议：i) 成蚊在旱季通过滞育（aestivation）隐藏；或 ii) 成蚊从具有持久幼虫栖息地的附近地点迁入。诺斯（North）等人将每种情景在布基纳法索设定的基因驱动蚊子模型中实施，模型预测滞育会减缓基因驱动传播，而迁移则会促进基因驱动传播以及被驱动近期清除的种群的重新定殖。

随后的基因组学分析假设滞育和迁移都可能为旱季后种群提供补充，并试图估计各自的相对贡献。该研究利用在马里Thierola镇连续几个季节采集的蚊子，采用种群遗传框架模拟种群在每个旱季开始时分支成两个更小的种群——一个滞育，另一个继续繁殖——然后在每个旱季结束时重新合并为一个更大的种群。使用近似贝叶斯计算来识别最小化观察到的和模拟的等位基因频率随时间方差的参数。推断旱季繁殖种群比雨季小几倍，滞育比例的后验众数在不同季节间在0.4到0.8之间变化。这表明诺斯等人探索的两种情景都可能发生，其程度因季节和环境而异。

蚊子交配行为

基因组学也为表征蚊子交配行为提供了新机会，这是生物防治模型中一个尚未充分探索的参数空间。大多数模型假设随机交配，然而蚊子表现出多样的交配行为。

经验研究表明野外存在偏离随机交配的情况。例如，对新奥尔良的埃及伊蚊，对48只野外捕获雌性后代的遗传亲本分析显示，三个家庭存在多重父权，对应多雄交配（polyandry）率约为6%。实验室研究还表明，生物防治剂可以改变蚊子交配行为。例如，wMel品系的沃尔巴克氏体已被证明会改变感染埃及伊蚊的生育力和再交配频率。

种群基因组学也提供了量化种群中近交（作为一种非随机交配形式）的工具。种群近交系数F_IS衡量与哈迪-温伯格平衡的偏离：正值表明配偶比种群内随机交配预期的亲缘关系更近。在干预之前、期间和之后种群中的F_IS模式对于理解交配行为在生物防治背景下如何转变尤其具有参考价值。

近交衰退与基因组负荷

基因组学为量化蚊子种群中的近交衰退（inbreeding depression）和基因组负荷（genomic load）提供了新机会，这两者都与抑制策略高度相关。模拟建模研究表明，通过兄弟姐妹交配进行近交，可以在面对强效抑制基因驱动策略时缓冲种群免于灭绝；然而，当近交衰退严重时，这种缓冲效应消失，将结果从稳定的抑制平衡转向清除。

实证研究证实近交衰退在蚊子中表现强烈。在伊蚊（Aedes geniculatus）中，Armbruster等人表明近交系数增加10%导致实验室和自然栖息地中的适应度下降12-15%。在埃及伊蚊中，Powell和Evans发现七代全同胞近交使全基因组杂合性降至初始值的约72%，远高于中性预期下的约13%，意味着选择保留了杂合子并缓冲了崩溃。在冈比亚按蚊中，Turissini等人同样观察到近交下全基因组变异损失，但发现如2La等染色体倒位保留了杂合性。最近，Kent等人表明，美国的埃及伊蚊种群尽管经历了严重的引入瓶颈，仍保留了相对较高的遗传多样性，并携带混合的基因组负荷：强有害等位基因的清除与中度有害等位基因的积累并存。

保护生物学中的基因组学研究为量化野生种群近交衰退提供了有价值的先例，其明确的方法学建议可适用于蚊子系统。富含有害等位基因的长纯合片段（ROH）应能强烈预测适应度损失，使其成为近交衰退可靠的基因组标记。基因组中长ROH的比例提供了个体水平的可靠近交度量F_ROH。通过将CKMR衍生的适应度特征（如繁殖力或日存活率）与基因组近交系数进行回归，可以估计近交衰退的强度并纳入未来的生物防治模拟模型。

结论

虽然遗传分析被纳入蚊子生物防治模拟模型已有数十年，但最近的分析进展和基因组测序成本的降低开辟了新的潜在应用领域。基因组学在量化种群结构方面的长期应用证明了将模型基于实证数据的价值；而最近在量化SGV和识别种群反弹来源方面的应用展示了进一步工作的机遇。遗传种群分配和CKMR等新兴方法为估计扩散和人口学参数以及表征一系列空间尺度上的基因流动提供了新机会，而交配系统和近交的基因组特征为在生物防治模型中量化这些现象提供了新机会。随着基因组技术不断进步，其应用前沿必将随之推进，这不仅将提高模型准确性，还将增强模型预测的可信度，并在监管和公众信任方面发挥核心作用。