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神奇的扁螢
2022-01-27 | 作者:李學燕,董志巍 | 來源:進化基因組學與基因起源 | 【小  大】【打印】【關閉】
    螢火蟲是最著名的陸生發光生物?!拔灮鹣x,慢慢飛;夏夜里,風輕吹……”,這樣的曼妙場景,是出生于上世紀六、七十年代的人們兒時記憶里一幅普通畫面。如今,人們總在感嘆螢火蟲已離我們遠去,它們或存在于記憶中或僅見于電視上。
  螢火蟲對生存環境的要求較高,僅在綠水青山的環境下才能很好地生存,而農藥的使用、自然植被的破壞及城市化進程中的光污染,確實迫使螢火蟲離我們越來越遠。
  這聽起來確實有些令人悲傷,但在全世界8亞科約100屬2000多種螢火蟲種類中,還有那么一類螢火蟲,它們并沒有因城市化而逃之夭夭,在城市中心的公園、校園和住宅小區的綠地,鄉村的房前屋后,依然可以見到它們的身影。它們一直在嘗試著與人類和諧相處。這類神奇的螢火蟲便是扁螢。
  

 

  

 

  正在發光的扁螢,上圖為雄成蟲,下圖為雌成蟲(董志巍 攝)
    多年來,終于能叫出扁螢們的名字!
  扁螢是指螢科(Lampyridae)扁螢屬(Lamprigera)螢火蟲的統稱。它們僅分布在亞洲東喜馬拉雅山脈周邊及東南亞國家,而生物多樣性豐富的云南正處于這一分布區域的中心。
  它們雌雄二型,即雄成蟲與雌成蟲表現出不同的外形。雄蟲有黑色的鞘翅;一塊大的前胸背板,休息時將頭完全遮??;頭上有一對大大的復眼,一對極短的觸角;腹部腹面第7可見腹節(即第8腹節)上有一對白色的發光器官,可發持續綠色光。雌蟲完全無翅,為白白胖胖的幼蟲狀,在腹部第8腹節上有一對發光器官,也可發持續綠色光。幼蟲身體扁平,全身黑色或有棕黃色條紋,體型通常很大。
  

 

  云南扁螢的背面,雄成蟲(左),雌成蟲(中)和幼蟲(右) (董志巍 攝)
    扁螢屬在2020年前報道有17種。中國科學院昆明動物研究所李學燕及團隊,自2002年開始研究螢火蟲,期間收集了一些扁螢標本,包括一些雄成蟲、雌成蟲和大量幼蟲,然而,由于這類昆蟲相同蟲態的外形十分相似,加之已報道種類的模式標本大都收藏于法國等歐洲博物館而一直沒機會檢視,因此,長期以來,研究人員也傻傻地分不清它們誰是誰和叫什么名字。
  基于長期的標本積累,借助DNA barcoding技術,研究團隊通過對中國不同種群的標本進行了分子系統發育和形態分析,并與香港同行檢視的模式標本進行形態比較,驚奇地發現這些看似都一樣的扁螢標本中包括三個新種(Lamprigera alticola Dong & Li, 2021高山扁螢, Lamprigera luquanensis Dong & Li, 2021祿勸扁螢,Lamprigera magnapronotum Dong & Li, 2021巨胸扁螢)、四個中國新記錄種(Lamprigera minor (Olivier, 1885)小扁螢、Lamprigera morator (Olivier, 1891)扇窗扁螢、Lamprigera nepalensis (Hope, 1831)尼泊爾扁螢、Lamprigera nitidicollis (Fairmaire, 1891)光亮扁螢)和一個中國已報道種類(Lamprigera yunnana (Fairmaire, 1897)云南扁螢) (Dong et al., Zootaxa, 2021, 4950(3): 441–468)。
  該研究結果使得該屬目前全世界增加到了20種,中國種類也從原有4種增加至11種。這些研究結果不僅為今后該屬的種類鑒定及其它生命現象的研究提供了重要的參考,而且也表明云南豐富的螢火蟲物種多樣性。
  

 

  近期在云南發現的3個新種和4個中國新記錄種(Dong et al., 2021)
    終于知道怎樣才能抓住扁螢!
  與其它類群的螢火蟲一樣,扁螢成蟲發光主要作為交配求偶信號,而幼蟲的發光主要作為警戒信號。不過,與通常想象中炎炎夏夜一閃一閃的螢火蟲不同,扁螢的各蟲態都發綠色持續光。非常有趣的是,雄蟲在飛行時并不發光,他們總會睜著一雙大眼睛,悄悄地在黑暗中飛行,尋找自己心儀的雌性伴侶,當發現自己心儀的對象并離得足夠近時,他們才打開自己的燈泡告之伴侶“我到了”。相比于雄蟲,雌蟲找對象較被動,她們會躲在草叢或近草叢的某個角落,翹起尾部露出亮亮的燈泡,向在黑暗中飛行的雄蟲發出“我在這里”的信號。
  研究人員早期主要根據螢火蟲發光對其定位進行直接觀察或采集,然而這樣的方法遇上具有特殊發光行為的扁螢類,顯然不奏效。因此,早期對扁螢特別是作為分類蟲態的雄蟲標本,收獲甚少,這種情況從研究團隊檢視過的國內各研究所和院校的螢標本收藏中也反映出來。
  研究團隊在與日本同行的交流中,得知日本同行通常用紅色波段的光對發綠光的窗螢類進行誘集,但因日本并無扁螢的分布,因此,并不確定此方法對扁螢是否有效。研究團隊嘗試了用紅色LED燈對扁螢進行誘集,在天剛擦黑時,把紅色LED燈放置在草叢附近并靜靜地等候,便會發現不知打哪兒來的扁螢雄蟲,會突然出現在燈的周圍并小心地打開它自已的綠燈,一旦發現為之而來的紅光并非雌蟲時,便會迅速地逃離,當然,要逃離研究人員的視線并不是一件容易的事。自從采用這個方法,研究團隊收集到了大量的雄蟲標本,物種分類的工作也才得以推進。
  幼蟲喜歡生活在食物充足的荒地和林間,研究人員發現它們特別喜歡在雨后放晴的夜晚遛達到路邊尋找蝸牛蚯蚓等食物。熟知這一習性后,研究人員也在那樣的夜晚那樣的場所收獲了不少幼蟲標本。在昆明,在市區的公園、校園和一些住宅小區內夜晚時不時都會遇到遛達的扁螢幼蟲。曾經有一次,甚至白天在一個城中村的一個體育訓練場內都遇到了它。研究人員曾經對云南扁螢幼蟲進行飼養,發現這類昆蟲食性很雜,除了取食蝸牛蚯蚓等食物,在實驗室飼養環境下它們甚至還吃從市場里買回來的豬肉。
  

 

  左圖為紅燈誘集扁螢雄蟲,右圖為聚集在一起的云南扁螢幼蟲(李學燕 攝)
  
    扁螢為什么發綠光? 
  螢火蟲發光的形態學是身上的發光器官(燈泡),生物化學基礎是其中所含的底物熒光素被熒光酶催化,所生成的氧化熒光素從不穩定的高能量狀態回到穩定的低能量狀態時,釋放能量從而發光。編碼熒光酶蛋白的基因即熒光酶基因(Luciferase gene),現已成為分子生物學和生物醫學研究中的重要的報告基因。發光的色彩與亮度與熒光酶的特征有關。
  為了探討扁螢發光的生化基礎,研究團隊以云南扁螢作為代表,克隆并分析了其熒光酶特征。其熒光酶有551個 氨基酸,與螢亞科的種類序列相似性(72%–77%)高于與熠螢亞科(68%–71%)。體外重組的熒光酶蛋白在pH7.8時具有最大活力,發光波長為566 nm (綠光),但在酸性環境中具有紅移現象。在37 °C具有最高活力,而在55°C則完全失活。
  

 

  云南扁螢的熒光酶在不同pH條件下的發光光譜(Liu et al., 2019)
    扁螢到底是誰家的孩子?
  扁螢因其外形及發光習性一直被認為是螢亞科(Lampyrinae)中的一員。確實,從其外形和發光習性,這樣的歸屬顯然沒有問題。然而,分子數據所展現出來的結果完全打亂了研究人員的傳統認知。以云南扁螢作為代表種類,研究團隊早在2006年基于線粒體16S標記構建系統發育樹時就發現,扁螢的演化地位與螢亞科相差很遠。
  2019年,研究團隊繼續解析了云南扁螢線粒體基因組并結合核基因組的核糖體基因進行了全面系統的系統發育分析時發現,較之于螢亞科,扁螢實際與閃閃發光的熠螢亞科有更近的親緣關系。
  研究團隊2020年完成云南扁螢的參考基因組解析,基于全基因組的數據的系統發育研究表明,與來自線粒體基因組的研究結果一致,扁螢確實與熠螢亞科有著更近的關系。這些數據表明,在螢火蟲物種演化歷史中,這些僅分布于東喜馬拉雅山脈周邊的扁螢處于特殊的演化地位。
  

 

  
分子系統樹顯示扁螢(Lamprigera)與熠螢亞科更近的關系,左圖為線粒體基因組和核rDNA樹(Chen et al., 2019),右圖為全基因組系統發育樹(Zhang et al., 2020)
    扁螢為什么為此神奇?
  分布于東喜馬拉雅山脈周邊的扁螢為什么如此神奇?一個物種的進化與發育的代碼都寫在其基因組的遺傳信息中。為了深入探討扁螢的神奇,研究團隊于2017年利用流式技術測定了云南扁螢及同屬另外兩種(Lamprigera nepalensis (Hope, 1831); Lamprigera nitidicollis (Fairmaire, 1891))及其它屬螢火蟲的基因組大小,發現神奇的扁螢具有螢火蟲中較大的基因組。
  進一步對云南扁螢的參考基因組解析和分析發現,扁螢的較大基因組起因于所含的較高比例的重復序列(達全基因組的67%),特別是其中的DNA轉座子(DNA transposons) (達全基因組的35%)和長分散的核元件(Long interspersed nuclear elements (LINEs))(達全基因組的15%)。當然,這些特殊的基因組結構是否及如何促使了扁螢神奇的習性和特征,仍需進一步探討。
  

 

扁螢具有較大的基因組,左圖為流式技術測定C值(Liu et al., 2017),右圖為對基因組重復序列分析結果(Zhang et al., 2020)
    扁螢的神奇,將繼續吸引著研究者們
  中國科學院昆明動物所的研究團隊此次在云南發現的3個新種以及4個中國新記錄種,把這類長期以來靜靜地居住于東喜馬拉雅山及周邊國家和地區的神奇的扁螢再次帶入同行和大眾的視野。
  美國著名的螢火蟲研究者 Branham博士在給研究人員的郵件中寫到“扁螢是如此酷的一個甲蟲屬!我真的高興你們發表了如此好的一項研究!這是一個非常重要的貢獻!” 。美國另一位著名的螢火蟲研究者同時為IUCN-SSC螢火蟲專家組聯合主席的Lewis教授則在郵件中寫到:“祝賀這項新的發現——扁螢(Lamprigera)現在是我最喜歡的一類螢火蟲”。
  中國科學院昆明動物研究所的研究人員將在揭秘扁螢神奇的道路上繼續前行。他們相信,更多的扁螢新種將可能在中國及周邊國家被發現,他們也將從物種多樣性與保護、生態、遺傳資源等多層次繼續探討和揭示這類螢火蟲及其生物熒光的演化。
  致謝:
  螢火蟲等發光甲蟲的分類及生物熒光起源與進化研究得到了國家自然科學基金委面上項目(31472035)、云南省科學技術廳面上項目(2014FB179)和中國科學院“西部青年學者”項目(A類)和中國科學院熱帶森林生態學重點實驗室(09KF001B04)等項目的資助。
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