生命科学学院张蔚/朱健课题组合作揭示生物力学特征参与袖蝶属蝴蝶局部适应与物种形成

2021年8月4日,北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心张蔚课题组与北京大学生命科学学院、细胞增殖与分化教育部重点实验室、北大-清华生命科学联合中心朱健课题组,在Science Advances上合作发表了题为“A widely diverged locus among Heliconius butterflies may be linked to locomotor adaptation”的论文,研究报告了一个在袖蝶属(Heliconius)物种之间普遍高度分歧的基因座,并表明其是一个发生基因渗入的热点区域,进一步的功能验证提示位点内包含一组与昆虫运动功能相关的基因,提供了生物力学特征参与蝴蝶适应和演化的新视角。

物种形成涉及多种因素之间的复杂相互作用,在分子水平上厘清引发生殖隔离或参与早期物种形成的生态与生物因素之间的关系,有助于更加全面地了解物种形成过程。袖蝶属蝴蝶经历了快速的适应性辐射,是研究物种形成和适应的经典系统。袖蝶的翅膀图案模式既参与了穆勒拟态,又作为一种重要的交配线索在生殖隔离中起作用,然而,在这种翅膀图案模式趋同和物种快速分化之间存在着一个长期未解决的悖论。因此,翅膀图案模式之外的其他行为和生态因素可能同样参与物种屏障的建立和维持,如交配偏好、化学感受和栖息地选择等,但相关遗传机制仍不清楚。

本研究通过分析袖蝶的全基因组分化模式,确定了一个在多个种群和物种之间普遍高度分歧的基因组区域L,群体遗传学分析表明L位点受到自然选择并表现出强烈的连锁不平衡。进一步的系统发育分析和基因流检测阐明了L位点是一个渗入的热点区域,并且具有不同于物种和翅膀图案模式位点的复杂演化历史。在蝴蝶和黑腹果蝇中的功能实验验证了L位点内的基因与昆虫运动功能相关,且这些基因仅在鳞翅目中聚类到基因组上的临近位置,提示运动功能可能参与了鳞翅目对环境的局部适应及物种形成过程。

图1. L位点的连锁不平衡、遗传多样性和系统发育树

图2. 黑腹果蝇中L位点同源基因组织特异性RNAi引起的表型变化

总的来说,本研究结合生物信息学分析和功能验证,系统地描述了一个运动相关位点的功能和演化历史,为生物力学特征参与蝴蝶适应和演化提供了一个新视角。

北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心张蔚研究员与北京大学生命科学学院、细胞增殖与分化教育部重点实验室、北大-清华生命科学联合中心朱健研究员为本文的共同通讯作者。张蔚课题组生命科学联合中心博士生张宇博、生命科学学院博士生滕德群、已毕业本科生卢巍以及朱健课题组刘敏副研究员为本文共同第一作者。该项目得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、细胞增殖与分化教育部重点实验室的资助。

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