Genomic differentiation and intercontinental population structure of mosquito vectors Culex pipiens… pipiens and Culex pipiens molestus

Independent monophyletic origin of Culex pipiens pipiens and Culex pipiens molestus

Two alternative hypotheses have proposed to explain the differences in ecological and physiological strategies of Cx.Pipiens and Culex pipiens molestus

That has been proposed to explain the difference of the ecological and physiological strategies of Cx. p. pipiensとCx. p. molestusの生態的・生理的戦略の違いを説明する2つの仮説が提案されている19。 1つは、人間活動に伴う地下環境への適応として、生理的・行動的形質の急激な変化としてこのような分化を説明する仮説である22。 この場合、Cx. p. molestusの地域個体群はCx. p. pipiensの地域個体群と密接な関係があるはずである30。 このシナリオでは、Cx. p. molestusはCx. p. pipiensの生態生理学的変種であると考えられている。 また，Cx. p. pipiensとCx. p. molestusの違いは，両者の進化史の違いによるものであるとする説もある。 Cx. p. molestusの生態的・生理的戦略は，まず温暖な気候のもとで生まれた可能性がある19． その後、人間活動が地下環境を作り出し、Cx. p. molestusを世界中に拡散させたため、このような戦略が重要になったと考えられている。 このシナリオでは、Cx. p. molestusとCx. p. pipiensを別々の進化的実体として考える。

本研究では、ユーラシアと北米の4カ所で採取したCx. p. molestusとCx. p. pipiens 40サンプルの全ゲノム解析によりこれらの仮説の検証を行った。 その結果，Cx. p. pipiensの地域集団からCx. p. molestusが再出現したという仮説は否定され，Cx. p. pipiensとCx. p. molestusは異なる大陸から独立して単系統的に発生したという考えが強く支持されることとなった． また，NJおよびML解析により，ベラルーシ共和国，キルギス共和国，米国イリノイ州シカゴのCx. また、アメリカ・ワシントンD.C.の野外採集標本に自生種と無自生種からなる雑種クラスターが存在することは、この地域にCx. pipiens – Cx. quinquefasciatus雑種地帯が存在する可能性をより反映していると考えられる16。 しかし、遺伝的距離から考えると、このクラスターはユーラシア大陸やアメリカ（イリノイ州シカゴ）のCx.p. molestusではなく、ユーラシア大陸のCx.p. pipiensにかなり近い関係にあると考えられる。 さらに、PCA（図3）およびADMIXTURE（図4）解析により、Cx. p. pipiensとCx. p. molestusに対応する2つの異なる遺伝子クラスターが同定された。 いずれの場合も、ワシントンD.C.産の標本はすべて他の地域のCx. p. pipiensと一緒にクラスターを形成していた。 ゲノムワイドのペアワイズFst値は、すべての比較で非常に有意であった（図5）。 また、ゲノム上で分岐の大きい特定の領域は確認されなかった（図6）。 全体として、Fst値はCx. p. molestusとCx. p. pipiensの間で、ワシントンDCのCx. p. pipiensの自家発電サンプルと無酸素発電サンプルの間で非常に高い値を示しました。 1021>

Cx. p. molestusとCx. p. pipiensの独立した単系統の起源に関する同様の見解は、世界中の異なる場所に由来するCx. pipiens蚊の約600サンプルにおいてマイクロサテライト分析を用いて得られた19。 また、北ヨーロッパと南ヨーロッパのCx. p. pipiensの地上集団とCx. p. molestusの地下集団は、非根拠距離木法により別々にクラスター化された。 また，米国産Cx. p. pipiensの地上集団は，我々の研究と同様に，北米におけるCx. pipiens複合体のメンバー間でより激しい交雑があることを示唆する新たなクラスターを形成していた． 混血解析の結果，Cx. p. molestus，Cx. p. pipiens，Cx. quinquefasciatusに対応する3つの主要なクラスターが存在することが示された． 後者のクラスターは本研究ではUSAの試料にのみ見いだされた。 また、amplified fragment length polymorphism（AFLP）分析に基づく別の研究では、南ヨーロッパと北ヨーロッパのサンプルとアメリカ・イリノイ州シカゴの株を比較している24。 この研究で用いられた北米とヨーロッパの集団は、AFLPのゲノムスキャンにおいて同様のADMIXTUREパターンを示した。 また，COI遺伝子の解析から，Cx. p. pipiensとCx. p. molestusはヨーロッパ，アジア，アフリカで独立した単系統の起源を持つことが示された26.

このように，Cx. p. molestusとCx. p. pipiensは独立した単系統の起源と高いレベルの遺伝子分岐から，この2種はCx.の構成員と考えられている． pipiens complexの種分化と進化の概念

動物の種分化の理論的モデルは，大きく分けてallopatricもしくはgeographical speciationとsympatricもしくはecological speciationに分類される． 最初の種分化の概念は，E. Mayr3によって集中的に推進されたもので，初期の分類群がまず地理的に孤立することを示唆するものである。 このような状況では、個体群間の遺伝子フローが減少し、突然変異が蓄積して雑種間の遺伝的不適合が生じる可能性がある。 種分化の別の概念では、新興の分類群間の生態的障壁が進化の主要な推進力であると強調されている31。 このシナリオでは、地理的に隔離されることなく異なる環境に適応した結果、集団間で生殖的隔離が生じ、通常、遺伝子の流れに直面して起こると考える。 このような状況では、初期分類群間の雑種は環境への適合性が低下するため、雑種間の交配を抑制するような形質の自然選択が促進される。 Cx. p. pipiensとCx. p. molestusの亜種の多様化は、生態系による隔離を通じた種分化の顕著な例であると考えられる。 私たちの研究では、Fst解析により、Cx. p. pipiensとCx. p. molestusの間には、ゲノム全体にわたって有意なレベルのゲノム分岐があり（図5、6）、明確な種分化の島がないことが明らかになった。 意外なことに、セントロメア周辺では分化のレベルが低かった。おそらく、これらの高度に反復的な領域では信頼できるSNVの数が少ないことが原因であろう。 また、Cx. p. pipiensとCx. p. molestusの米国イリノイ州シカゴの系統間では極めて高い差異が見られたが、ユーラシア大陸の蚊のコレクションでは亜種間で低い差異が見られた。 1021>

Cx. p. pipiensとCx. p. molestus間の生殖隔離のメカニズムについてはいくつか報告されている17． そのうちの2つは、受精前に作用し、蚊の交尾の機会を減少させるものである。 Cx. p. molestusは地下室などの地下環境を好むが、Cx. p. pipiensは地上の開けた水域を繁殖場所として好むため、幼虫の生息場所の特殊性に関連したメカニズムである。 このため、成虫の段階で両亜種が出会い、交尾する可能性は低くなる。 第二に、Cx. p. molestusとCx. p. pipiensの交尾行動の違いによる隔離である。 Cx. p. molestusの雄は通常，地上付近で均質な群れを形成し，交尾に必要なスペースは限られている17． 一方，Cx. p. pipiensのオスは地上から2〜3 mの葉の近くに群れをなす。 小型ケージ内での交尾行動に関する実験によると、Cx. p. molestusの雌と雄の交配では交尾成功率は90％であったが、Cx. p. pipiensでは3.3％に過ぎなかった32。 また、Cx. p. molestusとCx. p. pipiensの亜種間交配でも交尾成功率は低く、亜種の性別によって6.6％から10％の間で変動した。 本研究により，両亜種とも雌は別亜種の雄との交尾を積極的に回避することが明らかになった． さらに，Cx. p. pipiensの雌はCx. p. molestusから精子を受け取ることができず，その結果，卵を産まなかった。

Cx. p. pipiensとCx. p. molestusについて報告された他の二つの生殖隔離メカニズムは接合後に作用し，ハイブリッド種の適応度を低下させている。 このメカニズムの一つは、Cx. p. molestusとCx. p. pipiensの交配種における劣性形質としての停留の遺伝に関連するものである8。 F1ハイブリッドとF2ハイブリッドのかなりの部分は、冬期条件下で休止を起こすことができず、生き残ることができない。 このようなメカニズムにより、南方のCx. p. pipiensの導入レベルが高いことが説明できるかもしれない19,23,24. 最後に、Cx. pipiensの仲間は、リケッチア寄生虫Wolbachia pipientisの異なる系統に感染したハイブリッドの細胞質不適合にさらされている。 この寄生虫はCx. pipiens複合体のメンバー間の交雑によって細胞質的に導入されるにもかかわらず33、細胞質不適合はハイブリッドの生存率を大きく制限する可能性がある。 例えば、南アフリカではW. pipientisの感染によりCx. pipiensとCx. quinquefasciatus間の雑種化が著しく減少した34。 また、ユーラシア大陸の集団では、Cx. p. molestusはW. pipientisの1つの株のみに感染するが、Cx. p. pipiensは2つの異なる株に感染することが示された35。 また，本研究で用いたCx. p. molestusとCx. p. pipiensの標本は，キルギス共和国南部ではW. pipientisの同一系統に感染していたが，ベラルーシ共和国北部では異なる系統に感染していた． したがって，Cx. p. molestusからCx. p. pipiensへの導入がキルギス共和国よりもベラルーシ共和国で顕著であったことの違いを説明することができるかもしれない。 実は、感染性種分化の興味深い例が、南米のショウジョウバエのパウリストラム群に報告されている。 この複合体では、地理的に重複して分布する6つの半種が、Wolbachiae感染によって引き起こされた交配前・交配後の隔離の結果、繁殖的に孤立した36。

Drosophila simulans37, Rhagoletis fruit flies38,39, Heliconius butterflies40,41 など異なる生物について行われた最近のゲノム研究からも、自然界では生態的種分化が生じている証拠が新たに得られている。 種分化のゲノムパターンは、種分化の小さなゲノムアイランド40から、ゲノム全体にわたる著しいレベルの分岐まで、実にさまざまなパターンがある2。 Anopheles gambiaeとAn. coluzziiの間では、広範なゲノム分岐が確認されている42。 これらの種は当初、リボソームDNAの構造の違いからS型とM型として同定されたが43、後にその分類学的地位が種レベルにまで高められた44。 An. gambiaeとAn. coluzziiは、その生態的嗜好性の違いから、同所的に繁殖障害を起こすと考えられている45。 An. gambiaeの幼虫期は、小さな雨水プールに関連している。 一方、An. coluzziは稲作に伴う貯水池に生息している。 1021>

このように，ゲノムレベルでの高い分岐度，異なる生態環境への顕著な適応の違い，交尾のための接合前・接合後の障壁の証拠から，Cx. p. pipiens と Cx. p. coluzzi は異なる生態環境に適応することが示唆された． Cx. pipiens complexの最も興味深い観察は、生態、生理、行動、地理的分布が異なるにもかかわらず、自然界で交配して生存可能な子孫を残すことができることで、両者間の生殖隔離が完全ではないことを示している。 また、本研究では、亜種 Cx. p. molestus と Cx. p. pipiens の間で有意な交雑現象が起こっていることも明らかにした。 全ゲノム比較の結果、Cx. p. pipiensのサンプルのほとんどは、Cx. p. molestusからある程度導入された個体であることが示された（図4）。 このことは、歴史的に亜種間でミトコンドリアゲノムの伝達が起こりうることを示唆している（図2、8）。 同時に、亜種の地域集団の間で共有されるハプログループは観察されなかった。 大陸では，すべてのミトコンドリア系統が強く単系統であり，雄を介した分散と交雑が示唆された． Cx. p. molestusとの混血は，Cx. p. pipiensの南方集団ではキルギス共和国と米国ワシントンD.C.で多く，北方集団ではベラルーシ共和国と米国イリノイ州シカゴで少ないことが分かった． これは、交配種が寒冷地では休眠できないことと関係している可能性がある。 ちなみに、マイクロサテライト解析の結果、アメリカ北部の都市（イリノイ州シカゴとニューヨーク）では、Cx. p. pipiensとCx. p. molestusの交雑率は8％程度と控えめであった30, 50. 南ヨーロッパではCx. p. pipiensとCx. p. molestusが共に地上に生息しており、両者の交雑レベルは同様で8-10%と推定される51。 アメリカ東部の南部集団ではより高い交雑率が見られ、全サンプルの約40％がCx. p. molestusとCx. p. pipiensの交雑種と確認された19。 このように、Cx. pipiensのメンバー間の交雑率は全体的に旧世界よりも北米の方が高いことがわかった。 比較のために、An. gambiae複合体（An. gambiaeとAn. coluzzi）の隠蔽種間の交雑はマリ46の1％からギニアビサウ52の>20％の間で著しく変化しており、これはCx. pipiens間の全体の交雑レベルに匹敵するものであった。 これはCx. p. molestusとCx. p. pipiensの交雑レベル全体に匹敵する。

興味深いことに、本研究ではベラルーシ共和国、キルギス共和国、米国イリノイ州シカゴのCx. p. molestusサンプルではCx. p. pipiens混血サインを決定しなかった (図4). これらの結果は、Cx. p. pipiensからCx. p. molestusへの遺伝子流入が非常に少ないか、全くないことを示している。 また、Cx. p. molestusからCx. p. pipiensへの非対称的な導入は、これまでの研究でも同様の結果が得られている20,51。 このような非対称的な導入がどのようなメカニズムで起こるのかについては、現在のところ不明である。 また，Cx. p. molestusの雄は狭い場所でも交尾が可能であり，Cx. p. pipiensの雌と交配することができるとする仮説もある． 一方、Cx. p. pipiensの雌は、Cx. pipiensの雄は、群れのためのスペースを必要とするため、Cx. p. pipiensの雌と交尾する性質が高い51。 しかし、この現象を説明するためには、より多くの集団遺伝学的および実験的研究が必要である。

最後に、我々の研究は、Cx. p. pipiensがCx. p. molestusからの遺伝物質の適応的導入の結果として、自己発生をすることができることを証明した。 米国ワシントンD.C.の地上と地下の環境から採取した野外試料で、自家発生の対象となる蚊を選別した。 地下の蚊は自家発生であったが，地上の蚊は無自発であった。 しかし、近傍結合解析を適用したところ、自家発生と無自発の両方のコロニーの蚊が1つのクラスターを形成した（図2）。 また、PCA（図3）、ADMIXTURE（図4）により、これらのサンプルは他の場所の Cx.p. pipiens と共にクラスター化した。 ヨーロッパ51とアメリカ53では、混合的な特徴を持つ個体群が発見された。 また、ポルトガルでは、鳥類への吸血行動という珍しいパターンがCx. p. molestusで見られた54。

このように、Cx. pipiens複合体のメンバー間で継続的にハイブリッドが存在することは、それらの間の種分化過程が完全ではなく、生殖隔離の接合後障壁が完全に形成されていないことを示唆している。 全体として，Cx. pipiens複合体のメンバーは，それらの間で進行中の遺伝子フローと多様な環境への局所的適応に直面して，地理的・生態的種分化のさまざまな側面を研究するための顕著なモデルであると考える

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