蝶翅圖案之謎:蝴蝶種間的基因顏料庫

作者 | 發布日期 2016 年 02 月 20 日 0:04 | 分類 生態保育 , 自然科學 follow us in feedly
flickr Moore Laboratory

在翻閱昆蟲圖鑑的時候,是否曾經注意到,有好幾種蝴蝶看起來十分相似呢?因為牠們翅膀上的圖樣,雖略有不同,但又十分接近,讓人分不清楚。這回科學家的新發現,也許能解開蝴蝶翅膀的謎題。



一項關於蝴蝶基因體的最新研究結果顯示,決定翅膀上各種色斑的基因調控機制,可以透過種間雜交來進行重組,進而創造出全新的圖樣,就像是基因的顏料庫一樣。此研究以亞馬遜釉蛺蝶為試驗對象,發現兩種最常見於釉蛺蝶翅膀上的基本圖案:位於前翅基部的鮮紅色斑與後翅上放射狀的紅色條紋,這兩種圖案是透過兩種截然不同的物種,其體內的獨立基因來控制的。研究團隊追溯這兩種基本圖案起源,發現最早是出現在約兩百萬年前的種間雜交。

研究顯示,獨立的基因調控機制主宰了釉蛺蝶(Heliconius sp.)翅膀上的各式色斑與圖案,而這些調控機制早從數百萬年前就存在於不同的蝶種間,並藉由各種排列組合而創造出形形色色的翅膀圖樣。

 

物種藉由基因共享,壯大自己

就演化的層面來說,物種間的基因交換重組有時扮演非常關鍵的角色,比方說,人類藉由與現今已滅絕的親緣物種進行基因交換,使我們獲得在高海拔地區生存的能力;而達爾文則發現各種雀鳥,藉此產生形形色色的嘴喙,以適應不同的生活環境。至於蝴蝶,則是藉由交換各種翅膀基本圖案,讓不同種的蝴蝶都擁有能夠嚇阻掠食者的共同警示圖樣,而此現象就是所謂的擬態。

 

決定蝶翅色斑的基因調控機制具獨立性

科學家近期發表於 《PLOS Biology》 期刊上的研究有了嶄新的發現:上述的基因交換藉由新的基因組合的產生,能夠創造出全新的翅膀圖樣。隸屬劍橋大學動物系,也是本篇研究資深作者 Chris Jiggins 教授則表示,他們發現蝶翅上的不同色斑是由不同的基因所調控,而且其調控完全獨立。當不同的蝶種共有這些調控基因,牠們就可以擁有各種不同的基因組合,創造出新的翅膀圖樣。

研究團隊將 17 種釉蛺蝶,共 142 隻的基因體定序後,針對與前後翅上兩種基本的紅色圖樣相關的區段,進行 DNA 資料的比對。藉此從每種蝴蝶的基因體上近 3 億個 DNA 鹼基,將比對範圍縮減成幾千個。他們發現調控蝶翅色斑的每個基因,即使它們在基因體上彼此相鄰,卻都是獨立運作的。根據基因定序後的結果,各種調控色斑的基因最初皆分別存在於不同的蝶種中,而且僅經過一次性的演化。然而,在約兩百萬年前的幾次偶然雜交,讓這些調控基因能夠在各種釉蛺蝶間不斷地交換而共享。

Jiggins 教授更表示,在蝶種演化或分支的關鍵時間點,藉由找出相關的翅膀圖樣調控基因,他們可以在物種的演化樹上標記出這些特殊的色斑是如何在物種間進行傳遞,並且可以發現這些特殊色斑,不斷地出現在演化樹的各個角落。

同樣來自劍橋大學動物系,此研究的第一作者 Richard Wallbank 博士則表示,蝶翅圖樣演化的關鍵,乃在於各調控基因的獨立性。在試驗中的所有蝴蝶體內,都可以發現這些調控基因。而此基因總是製造出相同的蛋白質,即使該基因正在進行另一項重要任務,也不會受到影響。

Wallbank 博士也指出,正是因為這些調控機制具有獨立性,如此精妙的設計,使得在演化過程中,蝴蝶得以不斷地創造出不同的翅膀圖樣,也不會影響到控制大腦或眼睛形成的相關基因。這種可調節性,意味著基因中的 DNA 小片段上的調控機制,能夠創造出翅膀上一個又一個的圖樣組合,就好比是一個基因的顏料庫。

(首圖來源:Flickr/Moore Laboratory CC BY 2.0) 

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