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北大张蔚:我在蝴蝶翅膀上,寻找数十万年演化留下的痕迹

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2022-08-09 16:36
专访封面文章作者张蔚博士。(05:29)
8月2日,北京大学生命科学学院张蔚研究团队,从宏观进化和微进化两个层面揭示了枯叶蛱蝶的演化历史及其叶片拟态形态发生的遗传基础。该研究为为地理变化和自然驱动的演化提供了全新的视角,同时也为生物多样性提供了新的理论和范式。该论文图片入选Cell 8月封面研究。枯叶蝶学名枯叶蛱蝶,属于蛱蝶科枯叶蛱蝶属,是亚洲独有的一类蝴蝶。从外观上看,飞行中的枯叶蛱蝶有着蓝丝绒一样的翅膀,翅背面有鲜艳的橙色斑块,看起来格外漂亮。当它停下来将翅膀合拢后,它华丽的翅膀就会消失不见,变成枯叶的模样,翅膀的图案模仿了叶中脉、次脉、叶柄甚至叶片腐烂的形态,这是一种拟态(图1)。拟态是自然界的生物的一种生存手段,它能够让生物尽可能躲避天敌捕杀,是生物演化的结果。

枯叶蛱蝶是最经典且引人注目的叶片拟态的实例,著名博物学家阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士(Alfred Russel Wallace)称其为“最奇妙且不容置疑的保护性拟态”。尽管距离首次观察到这些美丽的蝴蝶已过去了150多年,枯叶蛱蝶在分类学、形态学、生理学等学科中都受到了相当的重视,但是关于它们的起源和神奇拟态演化的遗传基础研究仍较为缺乏。

图1 枯叶蛱蝶 图片由论文作者提供

在宏观进化层面,研究基于21个蛱蝶科属105份样本全基因组重测序数据,结合系统发育、群体遗传、种群历史动态建模和生态位模拟等方法,追溯了枯叶蛱蝶的起源与演化历史。研究发现,枯叶蛱蝶的早期多样化与中新世晚期和上新世早期青藏高原隆升处于同一时期,此时高原造山运动在西藏东南部和云南西北部形成了显著的海拔梯度和多样的生境,为物种的隔离分化创造了机会(图2);自末次间冰期(LIG)以来,喜马拉雅东部地区的气候条件一直非常适合枯叶蛱蝶生存,因此喜马拉雅东部地区可能是枯叶蛱蝶的分化中心。研究进一步发现,分布于西藏东南部的墨脱地区的枯叶蛱蝶物种具有向东南亚岛屿物种广泛且定向的基因流,该结果表明枯叶蛱蝶属物种在亚洲大陆继续分化,其中部分支系扩散到了东部和南部的岛屿地区,末次大冰期(LGM)时东南沿海陆桥形成推动了枯叶蛱蝶属各物种或亚种之间的二次接触和基因交流(图3),是枯叶蛱蝶多样化的重要推动力。

图2 枯叶蛱蝶的地理分布、全基因组系统发育关系及遗传结构。(A)不同颜色的圆点代表不同枯叶蛱蝶物种的采样位点,同时展示了相应的雄性背翅和腹翅图案;(B)基于14个代表性样本全基因组SNP数据的有根最大似然系统发育关系;(C)来自不同物种的34个样本主成分分析聚类;(D)33个枯叶蛱蝶样品的种群遗传结构;(E)种群遗传结构的交叉验证误差图表明,K = 5是最优聚类。

 

图3 枯叶蛱蝶的种群动态历史。(A)假设突变率μ = 3 × 10-9,平均代长g = 0.5年,利用PSMC推断的历史有效种群规模;(B, C, D)利用G-PhoCS推断的枯叶蛱蝶分化时间、有效种群大小和迁移率,虚线示意分化时间,支系宽度示意种群大小的比例;(E)利用Maxent进行枯叶蛱蝶的生态位模拟,从末次间冰期(LIG)开始预测适宜生境,配色由红到蓝代表环境适宜度从高到低。

在微进化层面,研究构建了枯叶蛱蝶中华亚种不同翅膀类型的杂交系,发现了10个叶片拟态表型全基因组关联分析识别出一个翅膀表型调控位点,即cortex基因。通过高质量基因组测序、染色质互作和基因编辑获得的综合证据表明,该基因在调控叶片拟态翅型多态性方面发挥重要作用,它可能通过调控潜在的下游基因snake参与翅膀的色素沉淀和颜色转换。转录层面的研究结果也揭示了cortex基因表达在发育阶段、组织形态中的时空调控(图4)。进一步的,群体遗传分析发现叶片拟态是通过平衡选择来维持的,这可能是一种负向频率依赖选择,具有明确的适应性价值,支持长期平衡选择在适应性进化中的作用。研究结果提供了明确的证据表明cortex基因在调控自然选择形成的叶片拟态中起到关键作用,其结构性和非结构性的遗传机制均有利于维持叶片拟态的多样性。

枯叶蛱蝶属物种的多样性演化是一个复杂且有魅力的模型,对其深入研究揭示了复杂的演化创新是环境地理演化和自然选择驱动的共同作用,为维持多样性的自然选择研究提供了独特的视角。

图4 抑制cortex单倍型的重组以及cortex基因在枯叶蛱蝶中华亚种中的功能验证。(A)以r2绘制的连锁不平衡,以及在脉状、波纹状和杂乱状拟态样本的cortex区域观察升高的连锁不平衡;(B)五种单倍型cortex区域比对发现V和R单倍型两种不同的染色体倒位;(C)热图显示26号染色体上所有假定拓扑结合域(TAD)的平均相互作用频率,以及S单倍型中包含cortex和相邻基因的假定TAD;(D)腹侧翅膀表面显示由CRISPR/Cas9基因组编辑引发的cortex功能丧失效应,cortex敲除导致侧脉周围有褪色的鳞片色素沉淀,腹侧叶中脉模糊变暗。

论文摘要

枯叶蝶属于蛱蝶科枯叶蛱蝶属,翅膀具有表型多态性,能够伪装成枯叶的形态。这种标志性的保护性拟态为研究生物多样性提供了一个有趣的演化范式。本研究整合了多组学数据分析和功能验证方法,推断了枯叶蛱蝶属物种的演化历史,探究了这些物种翅膀具有多种叶片拟态的遗传基础。研究发现,枯叶蛱蝶属物种在喜马拉雅地区东部发生多样化并扩散至东亚和东南亚地区。翅膀叶片拟态的多态性由翅型基因cortex调控,该基因通过长期的平衡选择固定在枯叶蛱蝶属物种中。本研究深入解析了源自山地生态系统的模式物种的宏观进化和微进化过程。

评述人简介

姜德纯,中国科学院成都生物研究所青年研究员,中国科学院青年创新促进会会员

姜德纯,博士,中国科学院成都生物研究所青年研究员,中国科学院青年创新促进会2021届会员。主要从事两栖动物多样性演化研究,在两栖动物分子系统发育关系,物种特征演化,生物地理学等方面进行探索,重点关注两栖动物地理格局演化和环境适应性演化机制。目前在National Science Review、PNAS等期刊上发表SCI论文20余篇。

作者介绍 

张蔚,博士,北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心研究员、博士生导师。

张蔚研究员,2005年获山东大学理学学士学位,2011年获北京大学博士学位,2012-2017年在美国芝加哥大学进行博士后研究,2018年至今在北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心开展工作,同年加入蛋白质与植物基因研究国家重点实验室和北京大学生态研究中心。张蔚研究员通过整合群体遗传、演化发育、基因编辑、生物信息等研究方法,全面系统的研究蝴蝶拟态这一经典的宏观演化实例,包括叶形拟态、贝氏拟态、穆氏拟态和警戒色的演化遗传机制。以通讯作者或第一作者(含共同)多次发表成果于Cell、Nature、Nature Communications、Science Advances、Genome Biology等专业期刊;研究成果被收录于两部教科书;被Faculty 1000推荐;被Nature杂志撰写特邀评论;被Nature杂志和Science杂志等多次报道。2019年获评北京大学“博雅青年学者”和北京市普通高校本科毕业设计优秀指导教师。主持国家自然科学基金面上项目和北京市自然科学基金杰出青年项目等。 

现阶段研究组的研究兴趣在于整合实验和计算生物学的研究方法,探究重要演化问题的理论基础和分子机理,例如物种形成,适应性演化以及渗入演化。我们的研究对象通常具有物种丰富,适应性辐射以及不完全生殖隔离等特点。例如,鳞翅目昆虫物种丰富,存在广泛种间杂交,并且具有多样的翅膀花纹,是用于研究适应性演化的经典体系。测序技术和基因编辑技术的迅速发展,使得对于非模式生物在全基因组层面进行演化基因组学和群体遗传学研究以及进行目标基因的功能鉴定成为可能。主要研究方向包括:叶形拟态的起源和遗传机制;鳞翅目昆虫发育过程的雌雄二型;适应性基因渐渗的鉴定、功能研究和演化模型等。

(原标题《Cell封面研究:枯叶蛱蝶属拟态多样性及其演化 | 作者专访与Cell Press青促会述评》)

    责任编辑:吴跃伟
    图片编辑:沈轲
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