北大找到了枯葉蝶模仿“天賦”的基因

枯葉蛺蝶 張宇博攝

枯葉蝶的翅膀能夠完美地模仿一片枯葉，進而幫助其偽裝起來躲避捕食者的攻擊。是什么賦予它這種“天賦”呢？

現在，北京大學生命科學學院研究員張蔚團隊揭開了這個秘密，她和合作團隊發現了幫助枯葉蝶模仿樹葉的基因，并討論了這種進化的背景和意義。相關研究8月1日以封面形式發表于《細胞》雜志。

張蔚認為，蝴蝶翅膀結構相對簡單，卻能實現一些非常復雜的功能：運動、體溫調節、擇偶偏好和躲避捕食者。“因為這些翅膀結構簡單，功能復雜，蝴蝶翅膀是解決多種進化問題的理想系統。”她說。

枯葉蝶翅膀的背面色彩鮮艷，以深藍色、黑色和橙色為特色。但當它們扇動翅膀時，就會露出對比鮮明的腹面顏色——類似于葉中脈、次脈、葉柄等圖案元素，以及類似于霉斑的可變標記。如此一來，就能模仿一片枯葉。

為了解枯葉蝶的偽裝能力是如何進化和遺傳的，張蔚團隊通過采集枯葉蛺蝶屬的13個地理種群樣本及其他蛺蝶科樣本，對共計21屬105份蝴蝶標本進行基因組重測序，追溯了枯葉蛺蝶屬的起源。

值得注意的是，研究團隊并未在聞名遐邇的云南蝴蝶谷采集到枯葉蛺蝶屬的標本，只在云南瑞麗采集到了隱種枯葉蛺蝶，而在西藏墨脫縣是采集到了三種枯葉蛺蝶：藍帶枯葉蛺蝶、指斑枯葉蛺蝶的一個亞種以及隱種枯葉蛺蝶。

他們為此把注意力集中在了喜馬拉雅東部地區，并在該區域發現大量的蝴蝶翅膀圖案變化，進而能夠在更小的范圍內研究種群進化。“我們通常在宏觀進化層面關注生物多樣性，但很少有案例能詳細說明物種多樣性和遺傳多樣性是如何在這樣一個多樣性熱點地區起源的。”張蔚說。

生物多樣性包括物種多樣性、遺傳多樣性和生態系統多樣性，其成因是生物學中的核心問題之一。陸地環境中，山區生態系統蘊藏著異常多樣的陸地生物多樣性，科學家認為其潛在原因包括巨大的海拔梯度變化形成了多樣的微環境，促進了種群的分化。在這項研究中，作者提出，喜馬拉雅山脈東部地區可能為該屬蝴蝶的起源地與分化中心，青藏高原的隆升可能促進屬內物種分化。

那么，又是什么導致枯葉蛺蝶屬翅腹面不同“葉片”圖案形態的變化呢？研究人員通過聚焦枯葉蛺蝶中華亞種，基于78份個體樣本的二代基因組重測序數據，對10種葉形表型進行了全基因組關聯分析，最后他們鎖定了一個名為cortex的基因，該基因似乎與不同的葉片圖案有關，并發現其在多個物種中經歷了長時間的平衡選擇。

“cortex就像翅發育過程中的一個‘工具盒基因’，參與控制生物形態與結構等發育過程，在枯葉蛺蝶中華亞種中，其嵌合缺失突變體會呈現斑駁的表型。” 張蔚。

研究發現枯葉蝶葉形擬態的多態性產生于屬內物種分歧之前，基因的進化壓力驅動了蝴蝶種群翅膀中有趣的形態變化。“這種翅膀的多態性在多個枯葉蝶物種中一直保持著，但不同物種可能有不同的表型。我認為這是由于特定棲息地的特定植物的增殖，所以蝴蝶通過不同的翅膀圖案獲得更多的保護利益。”張蔚說。

據了解，這項研究從開始構思到發表經歷了大約七八年時間，其中大規模的研究工作是從2018年1月張蔚從芝加哥大學回到北京大學建立實驗室開始的。作者表示，該研究為理解由地理變化和自然選擇驅動的演化創新提供了一個新的視角，為生物多樣性的研究提供了新的理論和范式。

下一步，張蔚團隊打算繼續研究蝴蝶翅膀的顏色和圖案在不同地區和不同植物分布范圍中是如何變化的。“我們想知道這些基因是如何促成并起源如此繁復美麗的翅膀圖案的。”她說。