以小見大，大數(shù)據(jù)多組學揭開玉帶鳳蝶演化秘密

□文｜張蔚

演化生物學關注生命過程的基本問題，自達爾文劃時代的演化理論提出之后，在思辨推理中不斷的延續(xù)拓展。它探究的問題自生命誕生而始，貫穿至今，直至未來。

如何解釋生物多樣性？生命如何繁衍、變異、適應？物種是如何界定和形成？種種疑問隨著科學積累愈加明晰，又在曲折中盤旋上升。

2007年《科學》雜志建刊125周年時提出了125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題，其中最重要的前25個問題即包括了：地球生命何時和如何產(chǎn)生？什么決定了物種多樣性？

問題提出至今十余年間，科學發(fā)展已經(jīng)日新月異。

此外，基礎演化理論研究與人類生活的關系日益密切，生態(tài)文明作為一個人類文明發(fā)展的新階段，更加重視保護和建設生物多樣性，物種多樣性則是生物多樣性的核心。

作為一名演化生物學工作者，我在研究經(jīng)歷中親身體會到了時代浪潮推動這一經(jīng)典學科蓬勃發(fā)展，期望以小見大，以蝴蝶擬態(tài)為例，闡述生物演化研究的精彩魅力。

蝴蝶是一類鱗翅目昆蟲，物種多樣性非常豐富。演化研究關注蝴蝶翅膀的花紋，這是因為蝴蝶翅膀結構相當簡單，但承載著復雜的功能，例如運動和求偶等，并且?guī)椭玫牡钟鞌场?/p>

例如一類我國南方常見的無毒的玉帶鳳蝶，其部分雌蝶展現(xiàn)出模仿有毒的紅珠鳳蝶的鮮艷花紋，由于這一類假警戒的模仿形式首先由英國博物學家貝茨在1862年研究巴西蝶類時提出，因此稱為“貝氏擬態(tài)”。

自達爾文和華萊士時期起，玉帶鳳蝶擬態(tài)便為人所知，并作為教科書中列舉的經(jīng)典實例，一百多年來，科學家一直致力于在形態(tài)和理論范疇研究這一類復雜擬態(tài)性狀，并通過飼養(yǎng)觀察其后代表型，認為它可能是被一個單一孟德爾位點控制，提出了擬態(tài)超級基因假說，即多個連鎖的基因共同控制這一復雜性狀。

我在芝加哥大學Kronforst教授的指導下進行博士后研究，參與到了研究玉帶鳳蝶擬態(tài)遺傳機制的工作。合作者Kunte博士首先飼養(yǎng)了幾百只蝴蝶建立家系，對這個控制擬態(tài)的遺傳位點進行粗定位，由于采用方法的分辨率的局限，獲得的位點包含五個基因。

得益于迅速發(fā)展的高通量核酸測序技術，我對玉帶鳳蝶進行了局部基因組組裝和全基因組關聯(lián)分析，將該位點定位到了單基因-雙性基因，這一基因在模式生物果蠅中被證明是一個控制性別決定的關鍵基因。

我進一步在蝴蝶中鑒定了雙性基因的不同剪切形式，找到了控制這一擬態(tài)特征的雌性轉錄本，以及發(fā)現(xiàn)了該擬態(tài)基因是被保留在一段倒位的染色體結構變異中，至此解開了玉帶鳳蝶擬態(tài)的機制。

此后的研究中，日本科學家Fujiwara課題組對該蝴蝶的基因組進行組裝，再次確定這一段擬態(tài)基因的染色體倒位區(qū)域，并采用RNA干擾實驗對該基因進行了功能驗證。

后來，我對該擬態(tài)基因的起源的演化進行研究，將研究范圍拓展至更多的近緣種鳳蝶，應用了全基因組的群體遺傳學分析，揭示了這一擬態(tài)和染色體變異的單起源事件，并在理論上提出了擬態(tài)可能伴有負面效應的遺傳負荷，使得雌性擬態(tài)—非擬態(tài)的多態(tài)性得以共存。

在多個研究團隊的共同努力下，玉帶鳳蝶擬態(tài)這一經(jīng)典科學問題得以解答，新的研究成果被收錄進多本教科書。從一個世紀前的博物觀察直至百年后經(jīng)典問題的最終揭秘，離不開演化研究者對科學問題的執(zhí)著求索以及大數(shù)據(jù)時代多組學技術的有力支撐。在這樣一個快速發(fā)展整合創(chuàng)新的時代，繼續(xù)這樣的演化研究和傳播理性思維，我們面對著復雜的問題和空前的機遇，也肩負著嶄新的使命。