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進化基因組學與基因起源研究組在蝴蝶顏色進化方面取得新進展
2022-04-15 來源:進化基因組學與基因起源學科組 作者:何金武,趙若蘋
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  蝴蝶(鳳蝶總科的物種統稱)因其豐富的形態多樣性,自達爾文時代就作為研究物種適應性進化的重要類群之一,近些年更被認為是研究形態遺傳、進化和發育的理想模型,已成為發育生物學、進化生物學、種群遺傳學、保護生物學和生態學等研究領域的重要模式生物之一。鳳蝶科是具有重要進化地位的蝴蝶支系,因其豐富的色彩和形態等多樣性更是昆蟲生態與進化研究的主題。特別是鳳蝶含有一類獨特的色素類型,即鳳蝶色素,這有助于鳳蝶翅膀顏色多樣性的形成和各種生物學功能(如躲避捕食者和擇偶)的發揮,同時也是探討動物復雜性狀起源和重塑的理想模型。 

  2015年,研究團隊解析了金鳳蝶(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現野生昆蟲的基因編輯 (Li et al.,  Nature Communications, 2015, 6: 8212)。在此基礎上,為了在蝴蝶系統發育的更大尺度下更好的探討蝴蝶形態等表型多樣性進化的遺傳基礎,2017年啟動了蝴蝶譜系基因組計劃。作為先期研究,利用三代長讀長測序技術和Hi-C技術解析了廣泛分布在東亞、南亞以及東南亞并對體色進化及物種分化具有重要研究意義的碧鳳蝶的染色體水平的基因組(首個利用Hi-C技術與三代長讀長測序技術相結合解析的染色體水平的蝴蝶基因組)(Lu et al., GigaScience, 2019, 8(11): giz128)、經典偽裝物種枯葉蛺蝶染色體水平的高質量基因組(首個組裝了W染色體的蝴蝶參考基因組)(Yang et al., Molecular Ecology Resources, 2021, 20(4): 1080–1092)。近期,研究團隊利用三代長讀長技術又解析了包括鳳蝶科的兩個亞科(鳳蝶亞科和絹蝶亞科)的所有族的代表種類共11種鳳蝶的高質量參考基因組(圖1)。結合之前發表的蝴蝶基因組,克服了不完全譜系分選和基因流等挑戰,構建了族水平穩定的系統發育樹。比較基因組研究結果提示位于模式基因(決定蝴蝶翅膀上不同形態和色素類型鱗片的時空定位)和效應基因(決定鱗片內色素合成)上游調控區的鳳蝶科特異的非編碼保守元件和轉錄因子結合位點的進化,以及效應基因的快速進化,可能促進了鳳蝶色素的起源與進化(圖2)。這些結果不僅為了解顏色多樣性的基因組基礎尤其是鳳蝶色素的起源提供了新見解,而且為探索蝴蝶的進化、生態學和保護提供了重要的數據資源。該項研究也是地球基因組計劃的附屬項目之一 (Lewin et al., PNAS, 2022, 119(4): e2115635118)。 

  該研究結果以 High-quality reference genomes of swallowtail butterflies provide insights into their coloration evolution為題,于2022331日在Zoological Research在線發表。該成果是在中國科學院昆明動物研究所李學燕副研究員帶領的昆蟲研究團隊潛心專研下取得,李學燕副研究員也是該文的末位通訊作者,王文研究員和陳壘教授為共同通訊作者。中國科學院昆明動物研究所已畢業的研究生(現為西北工業大學博士生)何金武為第一作者,張如、羊潔、常洲、諸立新和陸思含為共同第一作者。北京大學張蔚團隊、植物生理生態研究所詹帥團隊和滁州學院諸立新團隊等合作者參與了本項工作。本研究得到國家自然科學基金項目 (No. 31621062No. 32070482)、中國科學院西部之光項目、云南省科技廳(云南省人才項目No. 202105AC160039)、中國生態環境部生物多樣性保護項目等的支持。文章鏈接:https://www.zoores.ac.cn/article/doi/10.24272/j.issn.2095-8137.2021.303。 


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