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蝶翅图案之谜:蝴蝶种间的基因颜料库

2016/02/22 来源:科技新报
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导读
一项关于蝴蝶基因体的最新研究结果显示,决定翅膀上各种色斑的基因调控机制,可以透过种间杂交来进行重组,进而创造出全新的图样,就像是基因的颜料库一样。


在翻阅昆虫图鉴的时候,是否曾经注意到,有好几种蝴蝶看起来十分相似呢?因为它们翅膀上的图样,虽略有不同,但又十分接近,让人分不清楚。这回科学家的新发现,也许能解开蝴蝶翅膀的谜题。

一项关于蝴蝶基因体的最新研究结果显示,决定翅膀上各种色斑的基因调控机制,可以透过种间杂交来进行重组,进而创造出全新的图样,就像是基因的颜料库一样。此研究以亚马逊釉蛱蝶为试验对象,发现两种最常见于釉蛱蝶翅膀上的基本图案:位于前翅基部的鲜红色斑与后翅上放射状的红色条纹,这两种图案是透过两种截然不同的物种,其体内的独立基因来控制的。研究团队追溯这两种基本图案起源,发现最早是出现在约两百万年前的种间杂交。

研究显示,独立的基因调控机制主宰了釉蛱蝶(Heliconius sp.)翅膀上的各式色斑与图案,而这些调控机制早从数百万年前就存在于不同的蝶种间,并藉由各种排列组合而创造出形形色色的翅膀图样。

物种藉由基因共享,壮大自己

就演化的层面来说,物种间的基因交换重组有时扮演非常关键的角色,比方说,人类藉由与现今已灭绝的亲缘物种进行基因交换,使我们获得在高海拔地区生存的能力;而达尔文则发现各种雀鸟,藉此产生形形色色的嘴喙,以适应不同的生活环境。至于蝴蝶,则是藉由交换各种翅膀基本图案,让不同种的蝴蝶都拥有能够吓阻掠食者的共同警示图样,而此现象就是所谓的拟态。

决定蝶翅色斑的基因调控机制具独立性

科学家近期发布于 《PLOS Biology》 期刊上的研究有了崭新的发现:上述的基因交换藉由新的基因组合的产生,能够创造出全新的翅膀图样。隶属剑桥大学动物系,也是本篇研究资深作者 Chris Jiggins 教授则表示,他们发现蝶翅上的不同色斑是由不同的基因所调控,而且其调控完全独立。当不同的蝶种共有这些调控基因,它们就可以拥有各种不同的基因组合,创造出新的翅膀图样。

研究团队将 17 种釉蛱蝶,共 142 只的基因体定序后,针对与前后翅上两种基本的红色图样相关的区段,进行 DNA 资料的比对。藉此从每种蝴蝶的基因体上近 3 亿个 DNA 硷基,将比对范围缩减成几千个。他们发现调控蝶翅色斑的每个基因,即使它们在基因体上彼此相邻,却都是独立运作的。根据基因定序后的结果,各种调控色斑的基因最初皆分别存在于不同的蝶种中,而且仅经过一次性的演化。然而,在约两百万年前的几次偶然杂交,让这些调控基因能够在各种釉蛱蝶间不断地交换而共享。

Jiggins 教授更表示,在蝶种演化或分支的关键时间点,藉由找出相关的翅膀图样调控基因,他们可以在物种的演化树上标记出这些特殊的色斑是如何在物种间进行传递,并且可以发现这些特殊色斑,不断地出现在演化树的各个角落。

同样来自剑桥大学动物系,此研究的第一作者 Richard Wallbank 博士则表示,蝶翅图样演化的关键,乃在于各调控基因的独立性。在试验中的所有蝴蝶体内,都可以发现这些调控基因。而此基因总是制造出相同的蛋白质,即使该基因正在进行另一项重要任务,也不会受到影响。

Wallbank 博士也指出,正是因为这些调控机制具有独立性,如此精妙的设计,使得在演化过程中,蝴蝶得以不断地创造出不同的翅膀图样,也不会影响到控制大脑或眼睛形成的相关基因。这种可调节性,意味着基因中的 DNA 小片段上的调控机制,能够创造出翅膀上一个又一个的图样组合,就好比是一个基因的颜料库。

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