雄性、橙色雌性和Alba雌性豆粉蝶（從左至右）。
漫步花園中時，你是否曾好奇為什麼蝴蝶會呈現出如此美麗多樣的色彩？近日，來自瑞典斯德哥爾摩大學的進化生物學家們通過分析Colias crocea中的橙色和白色個體，發現了橙白轉換開關的位置和關鍵成分，相關論文發表在《自然·通訊》雜誌上。
在大多數豆粉蝶中，所有雄蝶和大多數雌蝶都是橙色或黃色，但也有一些雌蝶是白色的。這種被稱為Alba的白色雌蝶在每一代中都很常見，佔雌性的5%到30%。但由於橙色/黃色的翅膀是識別配偶的重要信號，科學家們推測Alba雌蝶應該處於劣勢。近一個世紀以來，科學家們一直探究就蝴蝶種群中產生並維持Alba雌蝶數量的原因。
之前在豆粉蝶的研究中發現，橙色雌蝶會將能量資源投入到合成色素上，而Alba雌蝶則會將這些資源從色素生產中重新分配到其他發育過程中。據推測，由於這種重新分配，與橙色雌蝶相比，Alba雌蝶擁有更高的脂肪含量和繁殖力。然而，雄性更喜歡與橙色雌蝶交配，這應該是Alba雌蝶為此付出的代價。儘管之前的研究工作發現了很多野生環境中保持顏色多態性的生物和非生物因素，但這其中的基因基礎仍然是未知的。
為了了解Alba雌蝶產生的機制，斯德哥爾摩大學的科學家們使用了不同的研究方法。首先，為了確定引起白化的基因區域，研究人員對Colias crocea進行了基因組測序，找到了與顏色差異相關的單個基因區域，並在該區域中發現了Alba雌蝶特有的轉座因子插入，插入位點在一個名為BarH -1的基因附近， 之前的研究發現， BarH-1在果蠅眼睛色素顆粒的發育中起著重要作用。而且與橙色雌蝶相比，Alba雌蝶翅膀上的色素顆粒要少得多。隨後，研究人員使用抗體染色來檢測BarH-1是否存在於發育中的翅膀中。結果發現，在蛹發育的早期，BarH-1蛋白只存在於Alba雌蝶翅膀鱗片的細胞中，這表明，BarH-1可能通過抑制色素顆粒的形成而在橙白的顏色轉換中發揮作用。
為了驗證這一功能預測，研究人員使用CRISPR/Cas9基因編輯產生了敲除BarH-1的嵌合體。這些嵌合雌蝶擁有白色和橙色的嵌合翅膀。通過進一步研究發現，橙色鱗片比白色鱗片擁有更多的色素顆粒，與正常橙色蝴蝶的翅膀鱗片相似。這些發現證明了翅鱗構建細胞中BarH-1會通過抑制色素顆粒的形成產生白色，但這一功能在雄性或橙色雌性中卻不會發生。
先前的研究表明，同樣的機制導致了所有蝴蝶物種的白化。為了驗證這一預測，研究人員檢查了北美物種Colias eurytheme的白化雌性是否也含有更少的色素顆粒，結果發現確實如此，這表明BarH-1抑制色素顆粒的形成並不局限於雲黃蝴蝶。額外的研究表明，Alba雌蝶的腹部脂肪儲備比橙色雌蝶多，這與之前關於橙白蝴蝶的研究是一致的。這些結果提示了一個有趣的可能性，即所有豆粉蝶的白化病因可能是相同的，但這需要在更多的物種中進行進一步的研究。
基於這些發現，研究團隊認為，豆粉蝶通過一個簡單的Y型再分配模型，減少色素顆粒的形成，導致色素合成減少，使得更多的資源可以自由地用於其他發育過程，從而保證了每一代中Alba雌蝶的比例。然而，在其他組織或發育時期，與Alba相關的生理成分也可能受到BarH-1或圍繞著轉座因子插入位點的其他基因的影響。另外，插入點附近的其他突變也可能導致這些特徵。研究人員接下來將測試這些備擇假設，並確定Alba表型在豆粉蝶屬中是否具有單一的遺傳基礎。
科界原創
編譯：花花
審稿：西莫
責編：張夢
期刊來源： 《自然·通訊》
期刊編號： 2041-1723
原文連結：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/su-gih121719.php
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