中國科學(xué)院昆明動(dòng)物所等在蝴蝶顏色進(jìn)化研究中獲進(jìn)展

蝴蝶（鳳蝶總科的物種統(tǒng)稱）因其豐富的形態(tài)多樣性，自達(dá)爾文時(shí)代便作為研究物種適應(yīng)性進(jìn)化的重要類群之一，近些年更被認(rèn)為是研究形態(tài)遺傳、進(jìn)化和發(fā)育的理想模型，已成為發(fā)育生物學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、種群遺傳學(xué)、保護(hù)生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等研究領(lǐng)域的重要模式生物之一。鳳蝶科是具有重要進(jìn)化地位的蝴蝶支系，其豐富的色彩和形態(tài)等多樣性是昆蟲生態(tài)與進(jìn)化研究的主題。特別是鳳蝶含有一類獨(dú)特的色素類型即鳳蝶色素，有助于鳳蝶翅膀顏色多樣性的形成和各種生物學(xué)功能（如躲避捕食者和擇偶）的發(fā)揮，也是探討動(dòng)物復(fù)雜性狀起源和重塑的理想模型。

2015年，中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所研究員王文團(tuán)隊(duì)解析了金鳳蝶（所有蝴蝶模式種）及其近緣種柑橘鳳蝶基因組，并以蝴蝶為例首次實(shí)現(xiàn)野生昆蟲的基因編輯（Li et al., Nature Communications,2015,6:8212）。在此基礎(chǔ)上，為了在蝴蝶系統(tǒng)發(fā)育的更大尺度下探討蝴蝶形態(tài)等表型多樣性進(jìn)化的遺傳基礎(chǔ)，2017年啟動(dòng)了蝴蝶譜系基因組計(jì)劃。作為先期研究，科研人員利用三代長讀長測序技術(shù)和Hi-C 技術(shù)，解析了分布在東亞、南亞及東南亞且對(duì)體色進(jìn)化及物種分化具有重要研究意義的碧鳳蝶染色體水平的基因組（首個(gè)利用Hi-C 技術(shù)與三代長讀長測序技術(shù)相結(jié)合解析的染色體水平的蝴蝶基因組，Lu et al.,GigaScience,2019,8(11):giz128）、經(jīng)典偽裝物種枯葉蛺蝶染色體水平的高質(zhì)量基因組（首個(gè)組裝W 染色體的蝴蝶參考基因組，Yang et al., Molecular Ecology Resources,2021,20(4):1080-1092)。近日，該研究團(tuán)隊(duì)利用三代長讀長技術(shù)，解析了鳳蝶科兩個(gè)亞科（鳳蝶亞科和絹蝶亞科）所有族的代表種類共11種鳳蝶的高質(zhì)量參考基因組（圖1）。結(jié)合之前發(fā)表的蝴蝶基因組，克服了不完全譜系分選和基因流等挑戰(zhàn)，構(gòu)建了族水平穩(wěn)定的系統(tǒng)發(fā)育樹。比較基因組研究顯示，位于模式基因（決定蝴蝶翅膀上不同形態(tài)和色素類型鱗片的時(shí)空定位）和效應(yīng)基因（決定鱗片內(nèi)色素合成）上游調(diào)控區(qū)的鳳蝶科特異的非編碼保守元件和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的進(jìn)化以及效應(yīng)基因的快速進(jìn)化，或促進(jìn)鳳蝶色素的起源與進(jìn)化（圖2）。該研究為闡釋顏色多樣性的基因組基礎(chǔ)尤其是鳳蝶色素的起源提供了新見解，并為探索蝴蝶進(jìn)化、生態(tài)學(xué)和保護(hù)提供了重要的數(shù)據(jù)資源。該工作也是地球生物基因組計(jì)劃的附屬項(xiàng)目之一（Lewin et al.,PNAS,2022,119(4):e2115635118）。

圖1 鳳蝶系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

圖2 鳳蝶色素生物合成示意圖

相關(guān)研究成果以High-quality reference genomes of swallowtail butterflies provide insights into their coloration evolution 為題，發(fā)表在Zoological Research 上。西北工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心和滁州學(xué)院等參與研究。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃、云南省科技廳、生態(tài)環(huán)境部生物多樣性保護(hù)項(xiàng)目等的支持。