Genetic divergence and microbiome differentiation between bisexual and parthenogenetic populations of Haemaphysalis longicornis in Shandong, China

技術要約：Haemaphysalis longicornisにおける遺伝的分化とマイクロバイオームの分化

問題提起
オサカマダニ（Haemaphysasia longicornis）は、重症熱性血小板減少症候群ウイルス（SFTSV）やその他の人獣共通感染症の媒介者として、世界的に侵入が進んでいる。本種の顕著な生物学的特徴は、有性生殖と絶対的な単為生殖が共存するという二重の繁殖戦略である。単為生殖の系統は、雄を必要とせずに繁殖できる能力により、迅速な定着を促進すると仮定されているが、これら2つの繁殖形態間の空間分布、遺伝的分化、および遺伝子流動のパターンは、特にダニとSFTSの両方の高流行地域である山東省において、依然として十分に解明されていない。さらに、繁殖モードがダニのマイクロバイオーム組成にどのように影響を与えるのか、また、それらの微生物コミュニティが遺伝的分化と結びついているのかについても不明である。先行研究では、遺伝的多様性またはマイクロバイオームの特性を個別に扱っており、地域スケールでこれらの要因を体系的に比較するための統合的な枠組みを欠いている。

研究手法
本研究では、2023年7月から2024年9月にかけて、山東省内の14の地級市から採取された525個体のH. longicornisを分析した。検体は、多様な生息地（森林、低木林、草原、農耕地）および、自由生活状態と宿主に付着した状態の両方から採取された。

1. 集団遺伝学： 個々のダニからゲノムDNAを抽出し、ミトコンドリアCOX1遺伝子の651-bp断片を配列決定した。ハプロタイプ多様性、塩基多様性、および集団分化（$F_{st}$）をDnaSP、PopART、およびArlequinを用いて算出した。系統関係は、MEGA 12を用いた最大尤度法により推定した。人口統計学的履歴を評価するために、中立性テスト（Tajima's D、Fu's Fs）を実施した。
2. マイクロバイオーム解析： バクテリアの16S rRNA遺伝子のV3–V4可変領域を増幅し、配列決定を行った（Illumina PE250）。配列はQIIME2およびDADA2を用いて処理された。アルファおよびベータ多様性は、Shannon/Simpson指数、およびBray-Curtis距離に基づく主座標分析（PCoA）を用いて評価した。
3. ネットワークおよび機能解析： スピアマンの順位相関（Spearman's $r > 0.6$, $P < 0.05$）を用いて共起ネットワークを構築し、Gephiを用いて可視化した。機能的ポテンシャルは、PICRUSt2（KEGGパスウェイ）およびFAPROTAX（生態学的ギルド）を用いて予測した。差次的存在量はLEfSeを用いて分析した。

主な結果

• 遺伝構造と分布：

  • 33の異なるハプロタイプが特定され、2つの深く分岐したクレードを形成した。クレードAは有性生殖集団に対応し、主に内陸部の山岳地帯で見られる。クレードBは単為生殖集団に対応し、主に沿岸地域に限定されている。
  • 有性生殖集団は、有意に高い遺伝的多様性（例：JNIおよびZZにおけるハプロタイプ多様性 $H_d$ は最大0.85）を示し、最近の集団拡大の証拠（複数の内陸部集団における負のTajima's DおよびFu's Fs）が見られた。
  • 単為生殖集団は、減少した遺伝的多様性と顕著な遺伝的隔離を示した。単為生殖集団間、および単為生殖集団と有性生殖集団の間のペアワイズ $F_{st}$ 値は高かった（$>0.80$）が、内陸部の有性生殖集団は低い $F_{st}$（$<0.05$）を示し、頻繁な遺伝子流動を示唆していた。
  • AMOVAの結果、全遺伝的変異の68.34%が集団間に分布しており、強い集団構造化を示していることが明らかになった。

• マイクロバイオームの組成と多様性：

  • 単為生殖のダニは、有性生殖のダニと比較して、有意に多様性の低い（低いShannonおよびSimpson指数）マイクロバイオームを有していた。
  • Coxiellaは両方のグループのマイクロバイオームを支配していたが、有性生殖集団（相対存在量 約50%）と比較して、単為生殖集団（約80%）において有意に高頻度であった。
  • 有性生殖集団は、Delftia、Pseudomonas、およびStenotrophomonasの高頻度な存在を含む、より多様なコミュニティを保持しており、Alphaproteobacteria、Burkholderiales、Rhizobiales、およびPseudomonadales内の分類群が豊富であった。
  • LEfSe解析により、CoxiellaおよびH. longicornis共生体Aが単為生殖のダニにおいて濃縮されていることが確認された。

• ネットワーク構造と機能：

  • 単為生殖ネットワーク： 267のノード、1,208の正のエッジ（負のエッジなし）、およびモジュラリティ指数0.59を持つ、簡略化された高度な相利共生構造によって特徴付けられる。
  • 有性生殖ネットワーク： 339のノード、953の正のエッジ、5つの負のエッジを持ち、複雑でモジュール性の高い構造（モジュラリティ = 0.74）を示し、競争的な相互作用の存在を示唆している。
  • 機能予測： 単為生殖集団は病原性に関連するパスウェイが豊富であり、一方で有性生殖集団は環境感知および栄養循環に関連する機能が豊富であった。

意義と主張
著者らは、繁殖モードがH. longicornisにおける遺伝的分化とマイクロバイオームの分化の両方の主要な駆動因子であると結論付けている。本研究は、単為生殖集団が、減少した遺伝的多様性を補うために、Coxiellaが優占する特化した共生関係に依存しており、その結果、簡略化された微生物ネットワークが生じていると提唱している。対照的に、有性生殖集団は、より高い多様性と複雑な相互作用ネットワークを持つ、柔軟で回復力のある宿主・微生物システムを維持している。

本論文は、これらの知見が、この媒介者の生態学的適応と病原体伝播の可能性を理解するための新しい枠組みを提供するものであると主張している。具体的には、これらの結果は、繁殖タイプ別の監視および防除戦略の必要性を強調している。集団遺伝学と微生物生態学の統合的な分析は、山東省、およびおそらく他の流行地域における、地域特異的な防除策、侵入の早期警告、およびダニ媒介性疾患の精密なリスク評価のための科学的根拠を提供するものである。