8月2日，北京大學生命科學學院張蔚研究團隊，從宏觀進化和微進化兩個層面揭示了枯葉蛺蝶的演化歷史及其葉片擬態(tài)形態(tài)發(fā)生的遺傳基礎(chǔ)。該研究為為地理變化和自然驅(qū)動的演化提供了全新的視角，同時也為生物多樣性提供了新的理論和范式。該論文圖片入選Cell 8月封面研究。枯葉蝶學名枯葉蛺蝶，屬于蛺蝶科枯葉蛺蝶屬，是亞洲獨有的一類蝴蝶。從外觀上看，飛行中的枯葉蛺蝶有著藍絲絨一樣的翅膀，翅背面有鮮艷的橙色斑塊，看起來格外漂亮。當它停下來將翅膀合攏后，它華麗的翅膀就會消失不見，變成枯葉的模樣，翅膀的圖案模仿了葉中脈、次脈、葉柄甚至葉片腐爛的形態(tài)，這是一種擬態(tài)（圖1）。擬態(tài)是自然界的生物的一種生存手段，它能夠讓生物盡可能躲避天敵捕殺，是生物演化的結(jié)果。

枯葉蛺蝶是最經(jīng)典且引人注目的葉片擬態(tài)的實例，著名博物學家阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace）稱其為“最奇妙且不容置疑的保護性擬態(tài)”。盡管距離首次觀察到這些美麗的蝴蝶已過去了150多年，枯葉蛺蝶在分類學、形態(tài)學、生理學等學科中都受到了相當?shù)闹匾?，但是關(guān)于它們的起源和神奇擬態(tài)演化的遺傳基礎(chǔ)研究仍較為缺乏。

圖1 枯葉蛺蝶 圖片由論文作者提供

在宏觀進化層面，研究基于21個蛺蝶科屬105份樣本全基因組重測序數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育、群體遺傳、種群歷史動態(tài)建模和生態(tài)位模擬等方法，追溯了枯葉蛺蝶的起源與演化歷史。研究發(fā)現(xiàn)，枯葉蛺蝶的早期多樣化與中新世晚期和上新世早期青藏高原隆升處于同一時期，此時高原造山運動在西藏東南部和云南西北部形成了顯著的海拔梯度和多樣的生境，為物種的隔離分化創(chuàng)造了機會（圖2）；自末次間冰期（LIG）以來，喜馬拉雅東部地區(qū)的氣候條件一直非常適合枯葉蛺蝶生存，因此喜馬拉雅東部地區(qū)可能是枯葉蛺蝶的分化中心。研究進一步發(fā)現(xiàn)，分布于西藏東南部的墨脫地區(qū)的枯葉蛺蝶物種具有向東南亞島嶼物種廣泛且定向的基因流，該結(jié)果表明枯葉蛺蝶屬物種在亞洲大陸繼續(xù)分化，其中部分支系擴散到了東部和南部的島嶼地區(qū)，末次大冰期（LGM）時東南沿海陸橋形成推動了枯葉蛺蝶屬各物種或亞種之間的二次接觸和基因交流（圖3），是枯葉蛺蝶多樣化的重要推動力。

圖2 枯葉蛺蝶的地理分布、全基因組系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及遺傳結(jié)構(gòu)。（A）不同顏色的圓點代表不同枯葉蛺蝶物種的采樣位點，同時展示了相應的雄性背翅和腹翅圖案；（B）基于14個代表性樣本全基因組SNP數(shù)據(jù)的有根最大似然系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系；（C）來自不同物種的34個樣本主成分分析聚類；（D）33個枯葉蛺蝶樣品的種群遺傳結(jié)構(gòu)；（E）種群遺傳結(jié)構(gòu)的交叉驗證誤差圖表明，K = 5是最優(yōu)聚類。

 

圖3 枯葉蛺蝶的種群動態(tài)歷史。（A）假設突變率μ = 3 × 10-9，平均代長g = 0.5年，利用PSMC推斷的歷史有效種群規(guī)模；（B, C, D）利用G-PhoCS推斷的枯葉蛺蝶分化時間、有效種群大小和遷移率，虛線示意分化時間，支系寬度示意種群大小的比例；（E）利用Maxent進行枯葉蛺蝶的生態(tài)位模擬，從末次間冰期（LIG）開始預測適宜生境，配色由紅到藍代表環(huán)境適宜度從高到低。

在微進化層面，研究構(gòu)建了枯葉蛺蝶中華亞種不同翅膀類型的雜交系，發(fā)現(xiàn)了10個葉片擬態(tài)表型。全基因組關(guān)聯(lián)分析識別出一個翅膀表型調(diào)控位點，即cortex基因。通過高質(zhì)量基因組測序、染色質(zhì)互作和基因編輯獲得的綜合證據(jù)表明，該基因在調(diào)控葉片擬態(tài)翅型多態(tài)性方面發(fā)揮重要作用，它可能通過調(diào)控潛在的下游基因snake參與翅膀的色素沉淀和顏色轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)錄層面的研究結(jié)果也揭示了cortex基因表達在發(fā)育階段、組織形態(tài)中的時空調(diào)控（圖4）。進一步的，群體遺傳分析發(fā)現(xiàn)葉片擬態(tài)是通過平衡選擇來維持的，這可能是一種負向頻率依賴選擇，具有明確的適應性價值，支持長期平衡選擇在適應性進化中的作用。研究結(jié)果提供了明確的證據(jù)表明cortex基因在調(diào)控自然選擇形成的葉片擬態(tài)中起到關(guān)鍵作用，其結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的遺傳機制均有利于維持葉片擬態(tài)的多樣性。

枯葉蛺蝶屬物種的多樣性演化是一個復雜且有魅力的模型，對其深入研究揭示了復雜的演化創(chuàng)新是環(huán)境地理演化和自然選擇驅(qū)動的共同作用，為維持多樣性的自然選擇研究提供了獨特的視角。

圖4 抑制cortex單倍型的重組以及cortex基因在枯葉蛺蝶中華亞種中的功能驗證。（A）以r2繪制的連鎖不平衡，以及在脈狀、波紋狀和雜亂狀擬態(tài)樣本的cortex區(qū)域觀察升高的連鎖不平衡；（B）五種單倍型cortex區(qū)域比對發(fā)現(xiàn)V和R單倍型兩種不同的染色體倒位；（C）熱圖顯示26號染色體上所有假定拓撲結(jié)合域（TAD）的平均相互作用頻率，以及S單倍型中包含cortex和相鄰基因的假定TAD；（D）腹側(cè)翅膀表面顯示由CRISPR/Cas9基因組編輯引發(fā)的cortex功能喪失效應，cortex敲除導致側(cè)脈周圍有褪色的鱗片色素沉淀，腹側(cè)葉中脈模糊變暗。

論文摘要

枯葉蝶屬于蛺蝶科枯葉蛺蝶屬，翅膀具有表型多態(tài)性，能夠偽裝成枯葉的形態(tài)。這種標志性的保護性擬態(tài)為研究生物多樣性提供了一個有趣的演化范式。本研究整合了多組學數(shù)據(jù)分析和功能驗證方法，推斷了枯葉蛺蝶屬物種的演化歷史，探究了這些物種翅膀具有多種葉片擬態(tài)的遺傳基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，枯葉蛺蝶屬物種在喜馬拉雅地區(qū)東部發(fā)生多樣化并擴散至東亞和東南亞地區(qū)。翅膀葉片擬態(tài)的多態(tài)性由翅型基因cortex調(diào)控，該基因通過長期的平衡選擇固定在枯葉蛺蝶屬物種中。本研究深入解析了源自山地生態(tài)系統(tǒng)的模式物種的宏觀進化和微進化過程。

評述人簡介

姜德純，中國科學院成都生物研究所青年研究員，中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員

姜德純，博士，中國科學院成都生物研究所青年研究員，中國科學院青年創(chuàng)新促進會2021屆會員。主要從事兩棲動物多樣性演化研究，在兩棲動物分子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，物種特征演化，生物地理學等方面進行探索，重點關(guān)注兩棲動物地理格局演化和環(huán)境適應性演化機制。目前在National Science Review、PNAS等期刊上發(fā)表SCI論文20余篇。

作者介紹 

張蔚，博士，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心研究員、博士生導師。

張蔚研究員，2005年獲山東大學理學學士學位，2011年獲北京大學博士學位，2012-2017年在美國芝加哥大學進行博士后研究，2018年至今在北京大學生命科學學院和北大-清華生命科學聯(lián)合中心開展工作，同年加入蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室和北京大學生態(tài)研究中心。張蔚研究員通過整合群體遺傳、演化發(fā)育、基因編輯、生物信息等研究方法，全面系統(tǒng)的研究蝴蝶擬態(tài)這一經(jīng)典的宏觀演化實例，包括葉形擬態(tài)、貝氏擬態(tài)、穆氏擬態(tài)和警戒色的演化遺傳機制。以通訊作者或第一作者（含共同）多次發(fā)表成果于Cell、Nature、Nature Communications、Science Advances、Genome Biology等專業(yè)期刊；研究成果被收錄于兩部教科書；被Faculty 1000推薦；被Nature雜志撰寫特邀評論；被Nature雜志和Science雜志等多次報道。2019年獲評北京大學“博雅青年學者”和北京市普通高校本科畢業(yè)設計優(yōu)秀指導教師。主持國家自然科學基金面上項目和北京市自然科學基金杰出青年項目等。 

現(xiàn)階段研究組的研究興趣在于整合實驗和計算生物學的研究方法，探究重要演化問題的理論基礎(chǔ)和分子機理，例如物種形成，適應性演化以及滲入演化。我們的研究對象通常具有物種豐富，適應性輻射以及不完全生殖隔離等特點。例如，鱗翅目昆蟲物種豐富，存在廣泛種間雜交，并且具有多樣的翅膀花紋，是用于研究適應性演化的經(jīng)典體系。測序技術(shù)和基因編輯技術(shù)的迅速發(fā)展，使得對于非模式生物在全基因組層面進行演化基因組學和群體遺傳學研究以及進行目標基因的功能鑒定成為可能。主要研究方向包括：葉形擬態(tài)的起源和遺傳機制；鱗翅目昆蟲發(fā)育過程的雌雄二型；適應性基因漸滲的鑒定、功能研究和演化模型等。

（原標題《Cell封面研究：枯葉蛺蝶屬擬態(tài)多樣性及其演化 | 作者專訪與Cell Press青促會述評》）