基因驱动（genedrive）具有在种群中将特定基因型或性状偏向型遗传给后代的潜力，即通过超孟德尔遗传将特定的基因型或性状扩散至种群中[1]。
基于CRISPR技术的基因驱动系统在清除入侵物种、抑制有害生物种群、改造媒介昆虫并阻断疾病传播等方面，具有极大发展前景。空间模型对于预测基因驱动系统的种群抑制效果具有重要意义。研究发现，由于空间环境中野生型个体在空余生态位的重新定殖，驱动个体为了抑制目标种群而追逐的现象持续存在，致使驱动效率较高的驱动系统也可能无法抑制目标种群[2,3]。然而实际环境中，同一生态位下可能存在多种物种，与目标种群可能存在竞争/捕食关系，对目标种群的抑制效果存在一定影响。
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2023年5月10日，北京大学生命科学学院Jackson Champer研究组在Ecology Letters期刊发表题为“Adversarial interspecies relationships facilitate population suppression by gene drive in spatially explicit models”的研究论文。该论文发现在通用模型和蚊子模型中，竞争物种/捕食物种的存在均可促进抑制目标种群，表明抑制驱动效率较低的物种同样有望在空间环境中实现种群抑制。
该研究在通用模型及蚊子模型中分别模拟了以下三种物种关系中的种群动态变化情况：（1）两个竞争物种在同一区域共存，其具有不同生态位，只在一定程度上相互竞争（图1A）；（2）两个竞争物种偏好性分布于其优势区域，同时，物种的迁徙导致资源竞争（图1B）；（3）捕食关系（图1C）。下文将以蚊子模型为例进行阐述。
图1 物种关系示意图
（1）由于大多数蚊子的生命周期大致相似，因此本研究简化模型并假设两个物种具有相同的繁殖规律，且两者之间竞争强度一致。与通用模型一致，当竞争因子和竞争物种数量较高时，目标种群大多可以在不发生追逐的情况下被抑制；若两者较低，目标种群与竞争种群出现长期追逐的现象，即种群抑制失败。同样，该模型在中间参数范围内也出现驱动丢失的主要结果（图2）。
（2）考虑到不同蚊子种群有其偏好性生态环境，本研究将模型模拟区域一分为二，以此代表不同生态环境（图1B），各个种群在其偏好环境下具有一定优势。在此类情况下，决定物种间重叠程度及竞争因素的种群迁移率至关重要。图3结果表明，高迁移率可以促进抑制目标种群，而迁移速率越低，长期追逐及驱动丢失的现象则成为主要结果。
图2 蚊子竞争关系模型
图3 不同区域蚊子竞争模型
（3）捕食关系在自然界中同样常见，例如蜻蜓、壁虎、食蚊鱼等均是蚊子的天敌。该研究假设所有捕食者只在蚊子幼虫阶段进行捕食以简化模型。捕食强度和捕食者资源比例分别表示捕食者对蚊子的攻击性以及蚊子在捕食者猎物中所占比例。结果表明，只有在较高的捕食强度下，蚊子种群才得以成功抑制；此外，基因驱动丢失的结果更为频繁（图4）。
图4 蚊子捕食关系模型
此外，蚊子（特别是传播疟疾的按蚊）的种群数量在很大程度上受到气候影响，其数量可在潮湿雨季扩增，而在旱季则急剧下降。此类环境波动可能会增加抑制驱动结果的随机性，甚至有助于抑制型基因驱动。该研究在竞争模型中模拟了此类情况，同时改变竞争因子和季节性强度（图5）。结果发现，部分目标种群在雨季开始时会脱离竞争的影响，且随着季节性强度的增加，抑制驱动效果反倒有所降低。当竞争激烈至足以抑制目标种群时，高湿度可导致种群被追逐一段时间后再抑制的现象。
图5 季节波动下蚊子竞争关系模型
综上，本文表明多物种建模在基因驱动预测中的必要性，复杂的生态环境可能促进抑制型基因驱动的成功。
Jackson Champer为该论文通讯作者，实验室成员刘亦然为该论文第一作者，北京大学生命科学学院毕业本科生张伟建、杨昊宸对文章作了重要贡献。本研究得到北京大学、北京大学生命科学学院启东产业创新基金、国家自然科学基金的支持。
