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

Resumo Técnico: Divergência Genética e Diferenciação do Microbioma em Haemaphysalis longicornis

Definição do Problema
O carrapato de chifres, Haemaphysalis longicornis, é um vetor globalmente invasivo responsável pela transmissão do vírus da Síndrome da Febre Grave com Trombocitopenia (SFTSV) e outros patógenos zoonóticos. Uma característica biológica distinta desta espécie é a sua estratégia reprodutiva dupla: a coexistência da reprodução bissexual e da partenogênese obrigatória. Enquanto se hipotetiza que as linhagens partenogenéticas facilitam a colonização rápida devido à sua capacidade de se reproduzir sem machos, a distribuição espacial, a diferenciação genética e os padrões de fluxo gênico entre esses dois tipos reprodutivos permanecem mal compreendidos, particularmente na Província de Shandong, uma região de alta endemicidade tanto para o carrapato quanto para a SFTS. Além disso, é desconhecido como o modo reprodutivo influencia a composição do microbioma do carrapato e se essas comunidades microbianas estão acopladas à diferenciação genética. Estudos anteriores abordaram a diversidade genética ou as características do microbioma isoladamente, carecendo de um framework integrado para comparar sistematicamente esses fatores entre os tipos reprodutivos em uma escala regional.

Metodologia
O estudo analisou 525 espécimes de H. longicornis coletados em 14 cidades de nível de prefeitura na Província de Shandong entre julho de 2023 e setembro de 2024. Os espécimes foram obtidos de diversos habitats (floresta, arbustos, pastagens, áreas agrícolas) e em estados tanto de vida livre quanto aderidos ao hospedeiro.

1. Genética de Populações: O DNA genômico foi extraído de carrapatos individuais, e um fragmento de 651 pb do gene mitocondrial COX1 foi sequenciado. A diversidade de haplótipos, a diversidade de nucleotídeos e a diferenciação populacional ($F_{st}$) foram calculadas usando DnaSP, PopART e Arlequin. As relações filogenéticas foram inferidas por Máxima Verossimilhança no MEGA 12. Testes de neutralidade (Tajima's D, Fu's Fs) foram realizados para avaliar a história demográfica.
2. Análise do Microbioma: A região hipervariável V3–V4 do gene 16S rRNA bacteriano foi amplificada e sequenciada (Illumina PE250). As sequências foram processadas utilizando QIIME2 e DADA2. A alfa e a beta diversidade foram avaliadas através dos índices de Shannon/Simpson e Análise de Coordenadas Principais (PCoA) baseada em distâncias de Bray-Curtis.
3. Análise de Rede e Funcional: Redes de coocorrência foram construídas usando a correlação de postos de Spearman (Spearman's $r > 0,6$, $P < 0,05$) e visualizadas via Gephi. Os potenciais funcionais foram preditos usando PICRUSt2 (vias KEGG) e FAPROTAX (guildas ecológicas). A abundância diferencial foi analisada via LEfSe.

Principais Resultados

• Estrutura Genética e Distribuição:

  • Trinta e três haplótipos distintos foram identificados, formando dois clados profundamente divergentes. O Clado A corresponde às populações bissexuais e é predominantemente encontrado em áreas montanhosas do interior. O Clado B corresponde às populações partenogenéticas e está amplamente confinado às regiões costeiras.
  • As populações bissexuais exibiram diversidade genética significativamente maior (ex: diversidade de haplótipo $H_d$ de até 0,85 em JNI e ZZ) e evidências de expansão populacional recente (Tajima's D e Fu's Fs negativos em várias populações do interior).
  • As populações partenogenéticas mostraram diversidade genética reduzida e isolamento genético pronunciado. Os valores de $F_{st}$ pareados entre populações partenogenéticas e entre populações partenogenéticas e bissexuais foram altos ($>0,80$), enquanto as populações bissexuais do interior mostraram $F_{st}$ baixo ($<0,05$), indicando fluxo gênico frequente.
  • A AMOVA revelou que 68,34% da variação genética total está distribuída entre as populações, indicando uma forte estruturação populacional.

• Composição e Diversidade do Microbioma:

  • Carrapatos partenogenéticos possuíam um microbioma significativamente menos diverso (índices de Shannon e Simpson mais baixos) em comparação aos carrapatos bissexuais.
  • Coxiella dominou o microbioma de ambos os grupos, mas foi significativamente mais abundante em populações partenogenéticas (80% de abundância relativa) comparado às populações bissexuais (50%).
  • As populações bissexuais abrigavam uma comunidade mais diversa, incluindo abundâncias mais altas de Delftia, Pseudomonas e Stenotrophomonas, sendo enriquecidas para táxons dentro de Alphaproteobacteria, Burkholderiales, Rhizobiales e Pseudomonadales.
  • A análise LEfSe confirmou que Coxiella e o simbionte A de H. longicornis estavam enriquecidos em carrapatos partenogenéticos.

• Arquitetura de Rede e Função:

  • Rede Partenogenética: Caracterizada por uma estrutura simplificada e altamente mutualística, com 267 nós e 1.208 arestas positivas (sem arestas negativas) e um índice de modularidade de 0,59.
  • Rede Bissexual: Exibiu uma arquitetura modular complexa (modularidade = 0,74), com 339 nós, 953 arestas positivas e 5 arestas negativas, indicando a presença de interações competitivas.
  • Predições Funcionais: As populações partenogenéticas foram enriquecidas para vias relacionadas à patogenicidade, enquanto as populações bissexuais foram enriquecidas para funções relacionadas à detecção ambiental e ciclagem de nutrientes.

Significância e Alegações
Os autores concluem que o modo reprodutivo é um driver primário tanto da diferenciação genética quanto da divergência do microbioma em H. longicornis. O estudo postula que as populações partenogenéticas dependem de uma simbiose especializada, dominada por Coxiella, para compensar a redução da diversidade genética, resultando em uma rede microbiana simplificada. Em contraste, as populações bissexuais mantêm um sistema hospedeiro-microbe flexível e resiliente, com maior diversidade e redes de interação complexas.

O artigo alega que estas descobertas fornecem um novo framework para compreender a adaptação ecológica e o potencial de transmissão de patógenos deste vetor. Especificamente, os autores sugerem que estes resultados destacam a necessidade de estratégias de vigilância e controle específicas para cada tipo reprodutivo. A análise integrada da genética de populações e da ecologia microbiana oferece evidência científica para medidas de controle regionalmente específicas, alerta precoce de invasão e avaliação precisa de risco de doenças transmitidas por carrapatos na Província de Shandong e, potencialmente, em outras regiões endêmicas.