logo

研究发现,两个基因控制着蝴蝶翅膀的图案和颜色,其中一个基因绘制了线条,而另一个基因则填充了颜色。如红色邮差(艺神袖蝶)蝴蝶品种,它的翅膀上绚丽而复杂的图案——从令人难以忘怀的眼状斑纹到闪光的彩虹色斑点——看起来就像是由艺术家团队画出来的。研究人员认为,这些复杂的图案和颜色是由基因之间互作作用形成的。目前有两项研究表明,两个基因在决定翅膀的线条和颜色方面起着巨大的作用。关闭这些“主导”基因会扰乱画布,使颜色变暗,或者使昆虫变成单一颜色。

纽约伊萨卡市康奈尔大学的进化发育生物学家Bob Reed,作为本周发表在《美国科学学报》上的作者之一,阐述关于该研究挑战了先前蝴蝶翅膀图案发育的旧模型。这种通过调控翅膀图案帮助昆虫避免捕食和吸引配偶的性状演变方案,给科学家带来更大的灵感。作为本项研究的另一作者,乔治华盛顿大学的发育生物学家Arnaud Martin说:“这两个基因是互补的。他们通过调控专门基因,在某种程度上是为了更好的绘制图案。”

位于罗利的北卡罗莱纳州立大学的微生物学家Rodolphe Barrangou说:“这在视觉上很有说服力,表现出了基因研究的强大力量。我们每个人都能与蝴蝶联系在一起,这种利用CRISPR技术改变蝴蝶基因组,可以为生物学提供新的见解。”

以前利用传统的基因图谱和敲除基因的研究,表明WntA和optix参与了蝴蝶翅膀图案的发育。研究表明,这两种基因是“适应性相关的研究热点”,因为它们与生物体的身体变化有关,而这些变化似乎是适应环境的。研究人员利用crispr - cas9技术在几种蝴蝶物种中对WntA和optix进行修补。科学家们通过打开和关闭其中每一个基因,以证明这些基因对蝴蝶翅膀的影响有多大。

新的WntA 研究涉及7个蝴蝶品种,包括有魅力的帝王蝶(黑脉金斑蝶)。在大多数物种中,当WntA被关闭时,蝴蝶翅膀的颜色会减弱,图案褪色或标记消失。例如,在帝王蝶中,深黑色的轮廓在翅膀的边缘处减轻成灰色。Martin说,WntA基因调控了翅膀图案形成的边源和边界。“它的背景是后来被填满的。”就像用数字进行染色或者通过数字绘画,WntA基因用来形成轮廓。

而optix基因研究显示,这种“漆刷基因”在色素沉着中扮演着重要角色。Reed说,之前的研究表明,optix基因控制红色和橙色的图案形成,通过CRISPR技术最终证实了这一点。

Reed及同事们在四种蝴蝶品种中剔除了optix基因。他举了一个单独的海湾豹纹蝶(Agraulis vanillae)的例子,这种蝴蝶的翅膀部分以及身体的其他部分变成了黑色或灰色,其中一只完全是黑色的。最让人吃惊的是,在普通的鹿眼蛱蝶(Junonia coenia)中,翅膀也出现了明亮的、彩虹色的斑点,这是除了色素沉着以外的结构变化的迹象。

研究结果表明,optix对色素的影响远远超过单纯的色素沉着。彩虹色是由确定的蝴蝶翅鳞的某些微观结构特征创造的,因此optix基因似乎影响着蝴蝶翅膀的色素和结构。Reed说,这项研究为optix基因在蝴蝶翅膀进化过程发挥的巨大作用提供了新的证据。

研究人员对WntA基因和optix基因的了解越多,越能洞察蝴蝶的进化过程。Reed说,这些基因为蝴蝶的主要适应环境机制提供了新的框架,例如模仿——在这种情况下,蝴蝶通过复制其他物种的生物属性作为防御机制以欺骗掠食者。其中,帝王蝶和总督蝴蝶(Limenitis archippus)是模仿的教科书范例。

纽约大学的发育神经生物学家Claude Desplan说:“这是一个美丽的技术进步,它向你展示了几乎适用于任何物种的CRISPR方法的力量。”

Martin说:“对于那些正在研究蝴蝶的人来说,CRISPR技术正在给我们开启一个从未有过的方法,这是一个实验室研究的非传统有机体。”

参考文献:

1.CRISPR reveals genetic master switches behind butterfly wing patterns(2017).

2.Macroevolutionary shifts of WntA function potentiate butterfly wing-pattern diversity(2017).

3.Single master regulatory gene coordinates the evolution and development of butterfly color and iridescence(2017).