基因驅(qū)動（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，即通過超孟德爾遺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)動系統(tǒng)在清除入侵物種、抑制有害生物種群、改造媒介昆蟲并阻斷疾病傳播等方面，具有極大發(fā)展前景?？臻g模型對于預(yù)測基因驅(qū)動系統(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)動效率較高的驅(qū)動系統(tǒng)也可能無法抑制目標(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)種群可能存在競爭/捕食關(guān)系，對目標(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，競爭物種/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)系中的種群動態(tài)變化情況：（1）兩個(gè)競爭物種在同一區(qū)域共存，其具有不同生態(tài)位，只在一定程度上相互競爭（圖1A）；（2）兩個(gè)競爭物種偏好性分布于其優(yōu)勢區(qū)域，同時(shí)，物種的遷徙導(dǎo)致資源競爭（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，且兩者之間競爭強(qiáng)度一致。與通用模型一致，當(dāng)競爭因子和競爭物種數(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)種群與競爭種群出現(xiàn)長期追逐的現(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。在此類情況下，決定物種間重疊程度及競爭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，長期追逐及驅(qū)動丟失的現(xiàn)象則成為主要結(jié)果。

圖2 蚊子競爭關(guān)系模型

圖3 不同區(qū)域蚊子競爭模型

（3）捕食關(guān)系在自然界中同樣常見，例如蜻蜓、壁虎、食蚊魚等均是蚊子的天敵。該研究假設(shè)所有捕食者只在蚊子幼蟲階段進(jìn)行捕食以簡化模型。捕食強(qiáng)度和捕食者資源比例分別表示捕食者對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)境波動可能會增加抑制驅(qū)動結(jié)果的隨機(jī)性，甚至有助于抑制型基因驅(qū)動。該研究在競爭模型中模擬了此類情況，同時(shí)改變競爭因子和季節(jié)性強(qiáng)度（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分目標(biāo)種群在雨季開始時(shí)會脫離競爭的影響，且隨著季節(jié)性強(qiáng)度的增加，抑制驅(qū)動效果反倒有所降低。當(dāng)競爭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)波動下蚊子競爭關(guān)系模型

綜上，本文表明多物種建模在基因驅(qū)動預(yù)測中的必要性，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)院啟東產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金、國家自然科學(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.

來源：北京大學(xué)