今日《细胞》:张蔚课题组揭开枯叶蝶演化的两大谜团

 直销人   2022-08-03 03:22   0 条评论
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▎药明康德内容团队编辑

1889年,曾独立提出自然选择理论的著名博物学家阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士(Alfred Russel Wallace)在书中将一种形似树叶的蝴蝶描述为“蝴蝶中最精彩、最确凿无疑的保护性外观案例”。在那之后,这类奇特的蝴蝶受到众人关注,其拟态的来源也成为争议热点。

这就是枯叶蛱蝶属(Kallima)的蝴蝶,丰富的叶形拟态让这些生存在东亚、东南亚与南亚地区的蝴蝶备受瞩目:当它们收起翅膀,枯叶蛱蝶就如同一片棕色的枯叶;此外,它们的翅腹面上长有一条深褐色横线和几条斜线,类似于树叶的叶脉、叶柄等,甚至还有类似于霉斑的标记。这些拥有多样化拟态的蝴蝶是怎样出现,并且演化出丰富的多样性的?

▲分别从上下两侧观察到的枯叶蛱蝶翅膀(图片来源:参考资料[1])

今日,在一项发表于《细胞》杂志的最新研究中,北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心张蔚课题组揭示了枯叶蛱蝶属物种多样性和遗传多样性的产生机制及演化历程。研究团队表示,这项突破为理解由地理变化和自然选择驱动的演化提供了新的视角,也为生物多样性的研究提供了新的理论和范式。北京大学前沿交叉学科研究院博士生王姝婷、北京大学生命科学学院博士生滕德群、中国科学院昆明动物研究所李学燕副研究员为本文共同第一作者。

由于蝴蝶翅膀与运动、体温调节、交配选择与抵御天敌等多种复杂功能相关,因此蝴蝶翅膀可以成为解决多个演化问题的理想系统。

在最新研究中,张蔚研究员团队从两个不同的层面揭开了枯叶蛱蝶的演化秘密:宏观上的物种多样性起源,以及微观层面的遗传多样性。

宏观层面上,为了追溯枯叶蛱蝶属的起源,研究团队采集了枯叶蛱蝶属的13个地理种群样本及其他蛱蝶科样本,对共计21属的105份蝴蝶标本进行基因组重测序。

▲枯叶蛱蝶属蝴蝶采样信息及系统发生关系(图片来源:参考资料[1])

结合了测序、建模等方法的综合分析显示,枯叶蛱蝶的物种分化与青藏高原的隆升密切相关:多个种群由墨脱地区迁出向东南亚岛屿扩散,而喜马拉雅山脉东部地区在多个历史时期为枯叶蛱蝶属提供了适宜度较高的栖息地,且属内物种分化时间对应了青藏高原的隆升时间。因此,喜马拉雅山脉东部地区成为了枯叶蛱蝶属的分化中心。

▲cortex基因缺失影响叶形拟态图案形成(图片来源:参考资料[1])

而在微观层面上,为了剖析枯叶蛱蝶翅腹面叶形多态性的遗传学机制,研究团队对枯叶蛱蝶中华亚种进行了深入研究,通过对其10种叶形表型的全基因组关联分析以及其他遗传学研究,找到了调控叶形拟态表型多态性的基因:cortex。正是这个基因影响了不断演化的叶形拟态图案。

▲该研究示意图(图片来源:参考资料[1])

因此,这项研究为枯叶蛱蝶叶形拟态多态性的产生和维持机制提供了遗传学证据,而整合了宏观与微观演化的研究思路也为理解物种形成、遗传多样性、适应性演化等问题提供了新的视角和范例。

参考资料:

[1] Wang, S., Teng, D., Li, X. et al., The evolution and diversification of oakleaf butterflies,Cell(2022), doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.042.

[2] Scientists now understand the genetics responsible for leaf mimicry in butterfly wings. Retrieved Aug 1st, 2022https://www.eurekalert.org/news-releases/959542

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