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人为活动改变已导致众多物种向新生境扩张其分布区。分布区扩张在群体遗传学层面被描述为拉动式（pulled）或推动式（pushed）扩张，取决于前沿个体数量，并可在基因组中留下独特的基因组印记。白蜡窄吉丁（Agrilus planipennis）、斑衣蜡蝉（Lyc
人为活动改变已导致众多物种向新生境扩张其分布区。分布区扩张在群体遗传学层面被描述为拉动式（pulled）或推动式（pushed）扩张，取决于前沿个体数量，并可在基因组中留下独特的基因组印记。白蜡窄吉丁（Agrilus planipennis）、斑衣蜡蝉（Lycorma delicatula）和 mountain pine beetle（Dendroctonus ponderosae）近期的分布区扩张代表了可资比较的不同扩张类型，研究人员通过将近期扩张的严格监测与全基因组组装（whole-genome assemblies）相结合，为研究扩张类型的基因组印记提供了强有力的比较框架。在此，研究人员综合了这些近期扩张背景下的分布区扩张理论，并提出了关于基因组变化预期模式的假说。随后，研究人员概述了可用于识别推定适应性位点的统计学方法与基因组结构分析方法，充分利用全基因组组装提供的高分辨率基因组信息。最后，研究人员以冷耐受性状为例，讨论了采用自上而下（top-down）策略鉴定受选择位点的方法，以补充上述总体扩张假说。借助这些方法，研究人员能够更好地理解这些扩张昆虫种群进一步扩散与定殖的风险，并建立一个量化其他扩张物种适应性潜力的框架。
**引言**
入侵物种常被用作快速分布区扩张的典型范例。在入侵初期，入侵物种通常由少数个体建立，因此其分布区随这些个体被运输至新区域而被"拉动"。然而，随着本地物种突破其核心分布区并入侵新生境，分布区谱系另一端的剧变正日益频繁。这些扩张并非被拉动，而是由于核心种群密度增加及大量个体迁出历史分布区而被"推动"向外扩展。推动式扩张正变得更为普遍，因为本地物种对环境屏障减弱（如冬季温度升高）作出响应并超越其历史分布区。本地物种分布区扩张具有显著的生态与经济影响，加剧了气候变化效应。若这些扩张物种能通过适应新条件而在新区域建立种群，则可能引发进一步扩张。因此，探索经典入侵与本地-入侵系统的异同可为理解分布区扩张及适应新条件的进化过程提供宝贵见解。
入侵与本地-入侵分布区扩张共同存在于一个随空间与时间变化的推动-拉动连续谱上。入侵物种其核心种群密度快速增长时，可从拉动式转变为推动式。识别分布区扩张中的人口统计学变化有助于指导管理与监测工作。尽管监测扩张具有重要价值，但由于种群规模变化及物种持续迁入新区域，其实施颇具挑战性。基于分布区扩张基因组影响的预测可通过监测与新栖息地存活相关的等位基因，识别最可能在新分布区成功定殖的扩张种群。
**分布区扩张期间人口统计学对基因组信号的影响**
稳定物种分布区由核心区与边缘区组成。核心区的位点持续被适应当地环境条件的个体占据；而边缘区位于种群分布极限附近，因非生物或生物条件的扰动而频繁发生局域灭绝与再定殖事件。当气候变化导致的环境限制减弱，或非本地物种经人为辅助运输时，种群得以在新区定殖并持续存在，从而改变当前分布相对于历史分布的格局。
表征种群如何扩张或转移其分布是理解分布区扩张潜在人口统计学的关键步骤，进而理解其在基因组中留下的印记。分布区扩张的性质高度复杂，但存在于拉动式与推动式扩张之间的连续谱上。简化而言，问题在于分布区扩张是否仅由分布边缘的少数个体推动（拉动式扩张），抑或由种群核心的众多个体推动（推动式扩张）。
拉动式扩张发生于少数边缘个体扩散至新未占据区域时，将分布区边缘"拉"向更远方。入侵通常被描述为拉动式扩张的范例。此类扩张预期快速蔓延，且由于以扩散能力为中心的选型交配（assortative mating）而加速扩散速率。这种选型交配导致空间分选（spatial sorting），即扩散能力更强的个体扩散最远，建立扩张前沿。空间分选还将导致与扩散相关位点的遗传多样性降低。随着扩张推进，序贯奠基效应（serial founder effects）频繁发生，导致扩张前沿方向的杂合度降低、突变负荷增加、纯合子 runs 增加以及连锁不平衡增加。然而，尽管存在这些降低，与数量性状相关位点的 standing variation 通常得以维持。序贯奠基效应还可导致新扩张范围内随机等位基因的固定（"等位基因冲浪"，allele surfing），无论其对适合度的影响如何。等位基因 surfing 及其他中性过程可模拟与自然选择相关位点的快速频率增加，仅依靠遗传数据难以区分这些模式。
推动式扩张代表扩张连续谱的另一极端。推动式扩张发生于核心分布区种群密度增加，使部分种群能够"跃过"其分布边缘，将分布向外推动。从核心迁出的大量个体维持了扩张范围内的遗传多样性。然而，快速种群增长（常驱动推动式扩张）也可增加核心种群中稀有等位基因的频率，且这种稀有等位基因的增加可在扩张范围内得以维持。遗传多样性的保持结合快速扩张种群中稀有变异的增加，可提供作为选择基础并可能促进对新条件适应的 standing variation。然而，来自核心的持续基因流可能淹没对适应性基因的选择，限制新扩张种群的适应潜力。最后，推动式扩张不具备拉动式扩张特征性的空间分选正反馈。但需注意，推动式分布区扩张的详细实证研究仍然有限，尤其缺乏基因组尺度的研究。
**昆虫沿推动-拉动连续谱的扩张**
个体在空间和时间的运动是昆虫多样化的基础，其成功归因于适应当地生物与非生物条件的能力。然而，人为活动改变增加了向新区域扩散的速率，无论是作为入侵还是本地-入侵物种，常超出当地环境协同进化的能力。研究人员采用比较方法，聚焦三个具有明确分布区扩张历史的昆虫物种：白蜡窄吉丁（A. planipennis）、斑衣蜡蝉（L. delicatula）和 mountain pine beetle（D. ponderosae）。这三个物种经历了向北方纬度的不同扩张，为研究不同扩张类型的基因组影响提供了自然实验。
白蜡窄吉丁从中国入侵北美是正在进行的拉动式扩张范例。2002年首次在北美记录到该物种，此后扩散至美国东部及加拿大五省。其北美扩张由成虫的短距离与长距离扩散事件（即分层扩散）共同驱动，影响遍及推动-拉动扩张连续谱。长距离扩散还导致卫星种群的形成。早期线粒体和微卫星研究发现入侵种群相对于原生范围种群遗传变异降低，入侵范围内种群结构增强，等位基因丰富度亦较低，但观测杂合度似乎未变。这些发现表明白蜡窄吉丁经历了拉动式扩张，以初始入侵北美的遗传瓶颈为特征，但保留了足够的 standing genetic variation。
斑衣蜡蝉在美国的近期持续入侵是拉动与推动扩张的混合。2014年在宾夕法尼亚州首次发现后，已扩散至18个州。成虫在多种表面产卵且易被运输至新区域，符合拉动式扩张机制；但运输可能性与局部种群密度密切相关，又体现推动特征。线粒体基因组数据显示原生范围种群遗传多样性高且结构强，各入侵事件均记录到遗传多样性降低。美国入侵种群显示特别低的遗传多样性，仅存在单一单倍型， suggesting 单次引入。尽管遗传多样性降低，证据表明入侵斑衣蜡蝉正在适应气候差异，可能促进进一步北扩。
推动式扩张谱系另一端是 mountain pine beetle 的快速扩张。这种森林害虫近期向东寒带森林的扩张是推动式分布区扩张的典型教科书范例。该物种为爆发性本地森林害虫，周期约为30-40年。在爆发-崩溃周期中，种群规模的快速增加可维持遗传多样性、提高稀有变异频率，同时降低遗传漂变影响并增加地理位点间基因流。最近一次加拿大西部的爆发规模空前，归因于气候变化、森林管理实践及西风暴锋面的长距离运输。这些因素导致该物种显著向北和向东超越历史分布区扩张。2006年，大量种群翻越落基山脉，被媒体报道为"甲虫雨"。高密度的移民进入此前未定殖的新生境，被最佳定性为自然的推动式分布区扩张。先前研究分析了线粒体DNA、微卫星及基因组范围单核苷酸多态性（SNPs），发现加拿大和美国均存在距离隔离模式、加拿大境内明显的南北种群结构，以及扩张范围内选择的证据。
这三个物种在北美的扩散为研究不同扩张类型及动态对基因组范围变异的影响提供了理想机会。三个关键特征使其成为理想案例研究：首先，种群人口统计学信息得到广泛监测；其次，存在 chromosomal assemblies（D. ponderosae 和 L. delicatula）或 scaffold level assembly（A. planipennis）；第三，先前种群遗传学研究奠定了坚实基础。
**分布区扩张对遗传变异模式的影响**
分布区扩张影响种群的中性与适应性变异。拉动式扩张按定义通过序贯奠基事件由少数个体建立，预期遗传多样性丧失，尽管这将高度依赖于每波扩张的奠基者数量。然而，入侵文献中的新证据表明，适应性变异或许较先前认为的更不易受遗传多样性丧失影响，即使在种群瓶颈面前也能维持。例如，斑衣蜡蝉入侵美国导致整体遗传多样性丧失，但与热应激、农药暴露和环境适应相关位点显示选择证据。尽管拉动式扩张导致等位基因频率因遗传瓶颈和等位基因 surfing 而快速变化，但 polygenic 适应性状的 standing variation 可能充足，即使在瓶颈化种群中。近期综述表明，从历史范围转运的 standing variation 可能减轻瓶颈和漂变的影响。无论扩张类型如何，standing variation 可能普遍存在，并可导致新生境条件的建立和适应。
推动式扩张由于缺乏遗传瓶颈，预期维持高 standing variation，初始将类似于核心范围内维持的遗传多样性。standing variation 的保持提供了使种群适应扩张范围内新环境条件的潜在有益等位基因的重要来源。随着时间推移，预期与适应当地条件相关的等位基因将因局域选择压力而频率增加。核心/历史范围内平衡选择向扩张范围内定向选择的转变，将导致选择位点周围基因组区域杂合度降低。然而，若杂合基因型在扩张范围内更具优势，则该位点遗传多样性将被保留或增加。无论扩张类型如何，种群动态将对整个扩张连续谱的遗传变异产生强影响。例如，快速种群增长导致稀有等位基因增加，这些等位基因可能在不同环境条件下具有益处。
扩张在推动-拉动连续谱上的影响还可能反映在历史范围与扩张/入侵范围之间的结构变异上。例如，copy number variants（CNVs）存在于黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）美国东北与东南种群之间，对应纬度梯度并显示两大陆间的平行进化模式。此外，染色体倒位多态性也可能与纬度梯度上的局域适应相关。倒位及其他复杂结构基因组变化可抑制重组，从而维持适应性位点模块，尤其在推动式扩张背景下保护这些单元免受淹没效应。
**扩张种群中选择信号的检测**
选择信号与适应证据可通过自下而上（bottom-up）或自上而下（top-down）策略检测，理想情况下两者结合。自下而上策略利用基因组范围变异检测选择的遗传信号，识别可能与适应新生物或非生物环境相关的基因。常见方法包括分化检验与相关性检验。分化检验寻找 F
ST 显著偏离中性预期的位点，但这类检验常依赖样本被分组为不同种群的假设，在推动式扩张或多源入侵种群广泛基因流和混杂情况下可能被违反。基因型-环境关联研究是将等位基因频率与空间或时间上生物或非生物条件变化相关联的相关性方法。然而，由于适应性位点通过相关性检测，结果可能被景观条件、人口统计学、多效性及基因组结构混淆。
除依赖特定位点等位频率差异的统计学选择检测检验外，还可检验相关位点的基因组背景以辅助确定推定适应性位点是否确实为适应性。选择性清除（selective sweeps）可提供选择进一步证据，即中性位点因搭便车（hitchhiking）而频率增加，导致选择位点周围局域杂合度降低的模式。在扩张种群中，预期 standing variation 的选择性清除将在基因组中留下信号，因扩张范围内的新选择压力所致。
结构基因组变异，如插入缺失（indels）、重复（copy number variants, CNVs）、倒位（inversions）和易位（translocations），也可能构成快速适应的基础。这些位点间基因组结构的差异可能快速达到固定，并促进对新条件的快速适应，因为基因功能和调控可发生重大变化。全基因组测序的可行性和经济性提高使其成为揭示大型结构变化及其在扩张成功中潜在作用的关键工具。时序数据（即爆发阶段）也可用于追踪等位基因频率的时间变化，帮助区分遗传漂变与选择导致的等位基因增加。
**扩张昆虫中环境适应的印记——自上而下策略**
自上而下策略使用简约性方法先验地探索复杂系统中特定基因或通路以寻找适应证据。该策略可用于验证初始自下而上扫描或关联研究鉴定的基因的参与。例如，通过将电压门控钠通道基因突变引入蚊子，使用 CRISPR/Cas9 增加其对 DDT 和三种拟除虫菊酯类杀虫剂的抗性，验证了特定基因型与杀虫剂抗性之间的因果关系。
自上而下策略还允许在比较框架内开发和检验假说，进行生物学系统或过程驱动的结果解释。这为评估不同物种面临相似环境压力时进化改变的可重复性提供了基础。以零下冬季温度为例，研究人员以昆虫越冬生物学为例展示自上而下策略如何用于鉴定北方扩张物种中受选择的生物学相关位点。
**休眠（Dormancy）**
休眠是生存环境胁迫 periods 的重要生理状态。昆虫利用光周期和温度变化等环境信号决定进入休眠状态的时机。代谢抑制和发育停滞对于在 prolonged sub-zero temperatures 下存活至关重要，常通过从有氧代谢向无氧代谢转变实现，糖酵解和糖异生优于三羧酸循环。对于向更冷环境扩张的昆虫，预期选择作用于糖酵解或糖异生通路的基因或调控区域，这些区域涉及改善代谢抑制、抑制时机或能量管理。
**低温保护（Cryoprotection）**
冰形成在昆虫系统中常被避免或主动管理。许多昆虫不耐冰冻，通过降低过冷却点避免冰形成。 Cryoprotectants 如 polyols、糖类、氨基酸和 ice-binding proteins（如甘油、海藻糖、脯氨酸和抗冻蛋白）通过增加血淋巴中溶质浓度降低过冷却点。Aquaporins 作为跨膜蛋白运输水分，减少冰形成时的细胞损伤。若选择作用于 cryoprotectant，预期观察到与 cryoprotectant 合成或 ice-binding 特性相关的蛋白编码或调控区域的等位基因频率变化。
**冷损伤与修复（Cold injury and repair）**
低温损伤也可在冰不形成时发生，需要修复和恢复受影响系统以维持稳态和持续发育。例如，低温可破坏跨膜离子运输，需要恢复血淋巴离子浓度防止离子调节崩溃。海藻糖和脯氨酸积累是离子调节崩溃部分预防的可能机制。蛋白质损伤是另一种无冰形成时的冷损伤形式；低温使水 increasingly hydrophobic，导致蛋白质变性和功能丧失。Heat shock proteins 作为分子伴侣帮助折叠新形成肽链、重新折叠蛋白质及降解受损蛋白质，尽管名称如此，它们被包括冷应激在内的多种环境压力激活。预期寒冷温度暴露将导致更多蛋白质损伤，因此 heat shock protein 基因将在扩张范围个体中显示选择信号。
该策略的核心是遗传平行性（genetic parallelism）——在时间上或独立进化谱系中重复发生的趋同遗传变化。遗传平行性表明进化是确定性的，相似环境压力将选择共同基因集或通路。自上而下策略还可通过检验广布物种的遗传结构并比较近期扩张亚种群间的基因组模式来检验选择的可重复性。清楚证明特定基因型与观测表型之间的因果联系是生物学中的挑战，自上而下策略可帮助解决这些挑战。然而，可预测性程度可能高度特异；例如，热变化适应虽显示证据表明相同遗传变化在不同时间或谱系中发生，但可预测性可能较低并强烈受 polygenicity 和基因组冗余影响。
