植生生态所科研人员与美国芝加哥大学等研究组合作揭示帝王蝶长距离迁飞的遗传机制

10月1日，国际著名学术期刊《自然》以Article形式在线发表了由中科院上海生科院植生生态所中科院昆虫发育与进化重点实验室詹帅研究组与美国芝加哥大学及马萨诸塞大学医学院等合作完成的关于帝王蝶（Danaus plexippus）长距离迁飞的遗传基础的研究论文，《自然》同时发表了News and Views，对该项研究进行了评述。

昆虫是地球上种类最多的生物类群，体现了强大的环境适应能力。昆虫的多样性不仅体现在种间，种内亦存在丰富的生物型，如迁飞型对非迁飞型和拟态等，这种微小尺度的变异为科学家研究物种进化提供了丰富的素材。帝王蝶迁飞是自然界中最为壮观的自然景象之一，北美地区的帝王蝶每年周而复始地完成数千公里的长途迁飞到达墨西哥进行越冬以适应温带地区的四季变化。然而，分布于热带地区的帝王蝶及其近缘种不具有迁飞特性。

研究人员从涵盖当今世界上主要的帝王蝶分布区域中，选取了包括迁飞型和非迁飞型的22个地理种群、5个近缘种的101只Danaus属蝴蝶进行了全基因组重测序和群体遗传学分析。该项研究表明现存的帝王蝶起源于北美地区，且祖先属于迁飞型，打破了先前认为包括鸟类等在内的迁飞物种均是热带起源，只在种群扩散到温带地区后才进化出迁飞行为的普遍认知。其次，帝王蝶被认为具有多套独特的代谢调节通路，如导航、生物节律、化学感应等来完成长距离迁飞这一复杂的生命现象。但研究人员利用群体遗传学分析对全基因组进行精细扫描发现，仅有包括与肌肉形成相关的collagen IV家族基因在内的基因组区域展现了非常显著的选择信号，而其他的功能通路和相关基因并没有表现出特殊的自然选择痕迹。从而表明，与飞行相关的肌肉发育进化是帝王蝶实现长距离迁飞的主要适应性选择。此外，该项研究还关注了帝王蝶鲜艳体色的维持机制，通过全基因组关联分析，一个与小鼠体色相关的myosin家族同源基因被鉴定出来，从而将无脊椎动物与脊椎动物的体色调节机制联系在一起。

詹帅研究组以鳞翅目、半翅目等昆虫为材料，通过基因组学、群体遗传学、生物信息学及功能基因组学等手段在微进化水平研究昆虫对环境的适应机制。用于该研究的蝴蝶样品来自于多家合作单位的贡献，包括美国芝加哥大学和斯坦福大学的科研人员分别贡献的关于帝王蝶体色关联分析和飞行行为观测的原始数据等。该项研究获得了包括中国科学院项目在内的国内外多家单位的经费支持。（植生生态所）