雌性燕尾蝶做了許多蝴蝶做生存的事情：它們模仿其他對(duì)捕食者有毒的物種的翅膀圖案，形狀和顏色。一些 - 但不是全部 - 燕尾種已經(jīng)進(jìn)化出了這種特性的幾種不同形式。但是什么樣的遺傳變化導(dǎo)致了這些不同的偽裝，為什么有些物種在模仿提供明顯的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)時(shí)會(huì)保持不加掩飾的形式呢?

本周在自然通訊雜志發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，芝加哥大學(xué)的科學(xué)家分析了一組燕尾種的遺傳數(shù)據(jù)，以了解模仿的時(shí)間和方式，以及從那以后推動(dòng)這些變化的因素。這是一個(gè)大約在兩百萬年前開始的故事，但不是穩(wěn)定的，漸進(jìn)的變化，一次機(jī)會(huì)遺傳轉(zhuǎn)換幫助創(chuàng)造了第一個(gè)燕尾模仿。從那時(shí)起它就一直存在。“在具有單色圖案的蝴蝶中，我們?cè)谌旧w上有一個(gè)正常方向的基因。在具有不尋常的交替顏色模式的蝴蝶中，該基因被拼接，翻轉(zhuǎn)，然后在某些時(shí)候拼接回染色體， “來自UChicago的生態(tài)學(xué)和進(jìn)化學(xué)副教授，該研究的高級(jí)作者M(jìn)arcus Kronforst博士說。“ 如果這兩種不同種類的蝴蝶交配，這種翻轉(zhuǎn)或倒置會(huì)使這兩個(gè)基因保持重組，因此它們?cè)谶M(jìn)化時(shí)間內(nèi)保留了基因的兩個(gè)拷貝，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦砂偃f年前從它們的共同祖先中分離出來，”Kronforst說過。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，科學(xué)家認(rèn)為蝴蝶模仿是由“超基因”控制的，這些基因是幾個(gè)緊密相連的基因，它們總是作為一個(gè)群體繼承。在2014年的一項(xiàng)研究中，Kronforst和他的同事表明，似乎是一個(gè)超基因?qū)嶋H上是一個(gè)叫做doublesex的基因，它控制著我們?cè)诖菩匝辔仓锌吹降牟煌伾Ｊ胶托螤睢?/p>

doublesex基因因其在區(qū)分性別中的作用而聞名，但在女性中，倒置或翻轉(zhuǎn)版本也決定了翼型。它仍然可以被認(rèn)為是一個(gè)超基因，因?yàn)樗刂浦麄€(gè)復(fù)雜的機(jī)翼圖案化過程，但在這種情況下，它只是單個(gè)基因。

在由博士后研究員Wei Zhang博士領(lǐng)導(dǎo)的新研究中，研究小組分析了Papilio polytes，亞洲燕尾蝶以及幾個(gè)相似物種的全基因組序列數(shù)據(jù)，看看它們是如何相互關(guān)聯(lián)的，以及它們的副本如何doublesex比較。利用這些數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)比較了模仿起源的一些替代解釋，并確定了長(zhǎng)期保持不同形態(tài)模仿的關(guān)鍵因素。

P. polytes群體中最密切相關(guān)的物種，稱為Papilio protenor，從印度傳播到整個(gè)亞洲大陸，并沒有發(fā)展模仿 - 男性和女性看起來都很相似。從大陸傳播到菲律賓和印度尼西亞島嶼的其他物種發(fā)展出三種或四種不同形式，這一特征稱為多態(tài)性。還有其他燕尾種進(jìn)一步蔓延到巴布亞新幾內(nèi)亞和澳大利亞東北海岸，但這些雌性只展示了一種偽裝的翅膀圖案。

研究人員將他們?cè)诨蚪M序列數(shù)據(jù)中看到的模式與這些模仿模式隨時(shí)間和地理發(fā)展的可能解釋進(jìn)行了比較。模仿是否在不同時(shí)間點(diǎn)在不同物種中獨(dú)立進(jìn)化?它是在一個(gè)物種中進(jìn)化，然后通過雜交或雜交傳播的嗎?

似乎模仿實(shí)際上只有一個(gè)古老的起源，當(dāng)doublesex基因在200萬年前翻轉(zhuǎn)時(shí)。從最初的倒置開始，張和Kronforst確實(shí)看到了所謂的平衡選擇的跡象。當(dāng)一種蝴蝶變得更加普遍時(shí)，掠食者意識(shí)到它們沒有毒性并開始以它們?yōu)槭?。這減少了特定蝴蝶的數(shù)量，直到另一個(gè)變得更常見，等等。最終，此過程會(huì)平衡并保留每個(gè)表單的相對(duì)數(shù)量。

他們還看到一些蝴蝶種群數(shù)百萬年來一直保持著多種雌性形態(tài)，而另一些則失去了原始的，不加掩飾的形式。從歷史上看，最小的群體 - 例如傳播到澳大利亞最遠(yuǎn)的群體 - 失去了多態(tài)性，允許隨機(jī)遺傳漂移和自然選擇來清除原始形式。

研究人員還研究了隨著時(shí)間的推移保持多態(tài)性的因素。一個(gè)原因可能是性選擇，男性喜歡某些女性顏色模式而不是另一個(gè)。以前關(guān)于交配行為的研究并沒有支持這個(gè)想法。另一種可能性是“隱秘”，或者說未加掩飾的女性比模仿者更好地融入自然環(huán)境。Kronforst和團(tuán)隊(duì)通過使用捕食者(即鳥)視覺模型比較模仿和非模仿女性與綠色森林背景來測(cè)試該假設(shè)。非模仿，毫無掩飾的女性實(shí)際上并沒有融入到背景中，只不過是模仿，所以這個(gè)想法也是如此。

這兩項(xiàng)研究結(jié)果與基因組序列數(shù)據(jù)相結(jié)合，使研究人員開始考慮另一種有趣的可能性?？赡苁菍?dǎo)致模仿的遺傳變化也構(gòu)成了一些長(zhǎng)期的劣勢(shì)。當(dāng)原來的doublesex基因倒置時(shí)，它可能帶有一堆其他不相關(guān)的遺傳物質(zhì)。由于翻轉(zhuǎn)的doublesex基因不能與其原始版本重新組合，因此額外的東西從此“搭便車” - 它可能會(huì)產(chǎn)生后果。事實(shí)上，一些研究表明，女性模仿不像標(biāo)準(zhǔn)模仿那樣長(zhǎng)壽。“我們認(rèn)為當(dāng)基因的一個(gè)副本翻轉(zhuǎn)并成為模仿副本時(shí)，偶然會(huì)捕獲到一堆差異。因?yàn)楹芏噙@些變化都是功能性的，它們可能對(duì)健康有害，”Kronforst說。

他說：“我們的想法是，你有這種模擬的不利條件。標(biāo)準(zhǔn)的女性沒有模仿的保護(hù)，但它們也沒有這種固有的遺傳成本，這兩種情況相互抵消。”現(xiàn)在，他們已經(jīng)揭開了模仿進(jìn)化背后的一些歷史，Kronforst說他的團(tuán)隊(duì)想要開始尋找導(dǎo)致不同類型模仿的doublesex的特定基因突變。他說：“如果我們能找到解決我們所看到的所有差異的方法，我們應(yīng)該能夠?qū)⑵淇s小到比我們現(xiàn)在所看到的所有差異更為分散的范圍。”這項(xiàng)研究“跟蹤蝴蝶中超基因模仿的起源和進(jìn)化”得到了芝加哥大學(xué)Neubauer研究基金，皮尤生物醫(yī)學(xué)學(xué)者獎(jiǎng)學(xué)金，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)立衛(wèi)生研究院的支持。其他作者包括阿肯色大學(xué)的Erica Westerman，以及芝加哥大學(xué)的Eyal Nitzany和Stephanie Palmer。