基因驅(qū)動(dòng)（genedrive）具有在種群中將特定基因型或性狀偏向型遺傳給后代的潛力，即通過(guò)超孟德?tīng)栠z傳將特定的基因型或性狀擴(kuò)散至種群中^[1]。

基于CRISPR技術(shù)的基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在清除入侵物種、抑制有害生物種群、改造媒介昆蟲(chóng)并阻斷疾病傳播等方面，具有極大發(fā)展前景?？臻g模型對(duì)于預(yù)測(cè)基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種群抑制效果具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，由于空間環(huán)境中野生型個(gè)體在空余生態(tài)位的重新定殖，驅(qū)動(dòng)個(gè)體為了抑制目標(biāo)種群而追逐的現(xiàn)象持續(xù)存在，致使驅(qū)動(dòng)效率較高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也可能無(wú)法抑制目標(biāo)種群^[2,3]。然而實(shí)際環(huán)境中，同一生態(tài)位下可能存在多種物種，與目標(biāo)種群可能存在競(jìng)爭(zhēng)/捕食關(guān)系，對(duì)目標(biāo)種群的抑制效果存在一定影響。

2023年5月10日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院Jackson Champer研究組在Ecology Letters期刊發(fā)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(fā)現(xiàn)在通用模型和蚊子模型中，競(jìng)爭(zhēng)物種/捕食物種的存在均可促進(jìn)抑制目標(biāo)種群，表明抑制驅(qū)動(dòng)效率較低的物種同樣有望在空間環(huán)境中實(shí)現(xiàn)種群抑制。

該研究在通用模型及蚊子模型中分別模擬了以下三種物種關(guān)系中的種群動(dòng)態(tài)變化情況：（1）兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)物種在同一區(qū)域共存，其具有不同生態(tài)位，只在一定程度上相互競(jìng)爭(zhēng)（圖1A）；（2）兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)物種偏好性分布于其優(yōu)勢(shì)區(qū)域，同時(shí)，物種的遷徙導(dǎo)致資源競(jìng)爭(zhēng)（圖1B）；（3）捕食關(guān)系（圖1C）。下文將以蚊子模型為例進(jìn)行闡述。

圖1 物種關(guān)系示意圖

（1）由于大多數(shù)蚊子的生命周期大致相似，因此本研究簡(jiǎn)化模型并假設(shè)兩個(gè)物種具有相同的繁殖規(guī)律，且兩者之間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度一致。與通用模型一致，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)因子和競(jìng)爭(zhēng)物種數(shù)量較高時(shí)，目標(biāo)種群大多可以在不發(fā)生追逐的情況下被抑制；若兩者較低，目標(biāo)種群與競(jìng)爭(zhēng)種群出現(xiàn)長(zhǎng)期追逐的現(xiàn)象，即種群抑制失敗。同樣，該模型在中間參數(shù)范圍內(nèi)也出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)丟失的主要結(jié)果（圖2）。

（2）考慮到不同蚊子種群有其偏好性生態(tài)環(huán)境，本研究將模型模擬區(qū)域一分為二，以此代表不同生態(tài)環(huán)境（圖1B），各個(gè)種群在其偏好環(huán)境下具有一定優(yōu)勢(shì)。在此類情況下，決定物種間重疊程度及競(jìng)爭(zhēng)因素的種群遷移率至關(guān)重要。圖3結(jié)果表明，高遷移率可以促進(jìn)抑制目標(biāo)種群，而遷移速率越低，長(zhǎng)期追逐及驅(qū)動(dòng)丟失的現(xiàn)象則成為主要結(jié)果。

圖2 蚊子競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系模型

圖3 不同區(qū)域蚊子競(jìng)爭(zhēng)模型

（3）捕食關(guān)系在自然界中同樣常見(jiàn)，例如蜻蜓、壁虎、食蚊魚(yú)等均是蚊子的天敵。該研究假設(shè)所有捕食者只在蚊子幼蟲(chóng)階段進(jìn)行捕食以簡(jiǎn)化模型。捕食強(qiáng)度和捕食者資源比例分別表示捕食者對(duì)蚊子的攻擊性以及蚊子在捕食者獵物中所占比例。結(jié)果表明，只有在較高的捕食強(qiáng)度下，蚊子種群才得以成功抑制；此外，基因驅(qū)動(dòng)丟失的結(jié)果更為頻繁（圖4）。

圖4 蚊子捕食關(guān)系模型

此外，蚊子（特別是傳播瘧疾的按蚊）的種群數(shù)量在很大程度上受到氣候影響，其數(shù)量可在潮濕雨季擴(kuò)增，而在旱季則急劇下降。此類環(huán)境波動(dòng)可能會(huì)增加抑制驅(qū)動(dòng)結(jié)果的隨機(jī)性，甚至有助于抑制型基因驅(qū)動(dòng)。該研究在競(jìng)爭(zhēng)模型中模擬了此類情況，同時(shí)改變競(jìng)爭(zhēng)因子和季節(jié)性強(qiáng)度（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分目標(biāo)種群在雨季開(kāi)始時(shí)會(huì)脫離競(jìng)爭(zhēng)的影響，且隨著季節(jié)性強(qiáng)度的增加，抑制驅(qū)動(dòng)效果反倒有所降低。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)激烈至足以抑制目標(biāo)種群時(shí)，高濕度可導(dǎo)致種群被追逐一段時(shí)間后再抑制的現(xiàn)象。

圖5 季節(jié)波動(dòng)下蚊子競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系模型

綜上，本文表明多物種建模在基因驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)中的必要性，復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境可能促進(jìn)抑制型基因驅(qū)動(dòng)的成功。

Jackson Champer為該論文通訊作者，實(shí)驗(yàn)室成員劉亦然為該論文第一作者，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院畢業(yè)本科生張偉建、楊昊宸對(duì)文章作了重要貢獻(xiàn)。本研究得到北京大學(xué)、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院?jiǎn)|產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

[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.

來(lái)源：北京大學(xué)