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超级基因调控燕尾蝶通过翅膀图案进行拟态

摘要 : 近日,芝加哥大学的研究人员解开燕尾蝶如何通过复杂的翅膀图案和颜色进行拟态之谜。他们发现是由名为doublesex的单基因所控制的。相关文章发表于2014年3月5日的《Nature》杂志上。

近日,芝加哥大学的研究人员解开燕尾蝶如何通过复杂的翅膀图案和颜色进行拟态之谜。他们发现是由名为doublesex的单基因所控制的。相关文章发表于2014年3月5日的《Nature》杂志上。

 Nature:超级基因调控燕尾蝶通过翅膀图案进行拟态

众所周知,doublesex是控制昆虫性别分化的关键基因,而这项研究表明该基因还具有控制拟态的强大功能。

“传统观点认为,蝴蝶翅膀的拟态图案应该是多个基因共同作用的结果,”文章的资深作者,芝加哥大学的助理教授Marcus Kronforst说。“而我们发现,控制性别分化的那个基因单独承担了这项工作。”

聪明的蝴蝶

为了避免被捕食,一些无毒蝴蝶会模拟有毒蝴蝶的翅膀图案。几个世纪以来,人们一直将蝴蝶翅膀的拟态作为自然选择的典型范例进行研究。有证据表明,燕尾蝶基因组中存在一个控制拟态的区域。

鉴于拟态的复杂性,人们一直认为这一区域可能含有“超基因”,即多个紧密相联的基因。

解开蝴蝶拟态之谜

为了鉴定这一区域的功能,Kronforst及其同事对一种亚洲的燕尾蝶(玉带凤蝶Papilio polytes)进行了研究。雌性玉带凤蝶拥有四种不同的翅膀图案,其中三种是拟态图案,另一种是非拟态图案(所有雄性玉带凤蝶的翅膀都是非拟态的)。

研究人员令翅膀图案不同的蝴蝶相互交配,并对五百个这样的后代进行了基因组比对。在此基础上,他们鉴定了五个可能涉及拟态的基因。随后,研究人员又测序了三十只蝴蝶的基因组(一半拟态一半不拟态),以探寻特定基因与翅膀图案的关联。

出乎意料的是,只有doublesex基因表现出与拟态过程的相关性。人们已经知道,doublesex基因可以通过选择性剪切,控制昆虫的性别分化。当doublesex基因转录为信使RNA时,会经过剪切形成不同的亚型(isoform),进而指导性别的形成。

研究人员发现,在玉带凤蝶中doublesex会通过选择性剪切形成多个亚型。其中两个在拟态蝴蝶的翅膀中表达水平特别高。研究还证实,在蝴蝶的发育过程中,doublesex的表达情况与翅膀图案的形成完全相符。

单基因如何控制

单个基因为何能够控制如此复杂的机能呢?Kronforst指出,控制doublesex表达时机和地点的非编码DNA可能起到了重要作用。研究显示,在拟态蝴蝶的基因组中doublesex基因是反向的,这不仅减少了重组的可能性,还使其蛋白产物出现了结构差异。由于doublesex是一个可激活其他基因的转录因子,研究人员相信这些差异可能就是翅膀图案多样化的原因。

“我们阐明了蝴蝶翅膀拟态的遗传学基础,”文章的作者之一,芝加哥大学的Wei Zhang博士说。“不过这只是第一步,doublesex的具体作用机制还有待于进一步的研究。”

原文摘要:

doublesex is a mimicry supergene

K. Kunte, W. Zhang, A. Tenger-Trolander, D. H. Palmer, A. Martin, R. D. Reed, S. P. Mullen &M. R. Kronforst

One of the most striking examples of sexual dimorphism is sex-limited mimicry in butterflies, a phenomenon in which one sex—usually the female—mimics a toxic model species, whereas the other sex displays a different wing pattern1. Sex-limited mimicry is phylogenetically widespread in the swallowtail butterfly genus Papilio, in which it is often associated with female mimetic polymorphism. In multiple polymorphic species, the entire wing pattern phenotype is controlled by a single Mendelian ‘supergene’. Although theoretical work has explored the evolutionary dynamics of supergene mimicry, there are almost no empirical data that address the critical issue of what a mimicry supergene actually is at a functional level. Using an integrative approach combining genetic and association mapping, transcr-ptome and genome sequencing, and gene expressi0n analyses, we show that a single gene, doublesex, controls supergene mimicry inPapilio polytes. This is in contrast to the long-held view that supergenes are likely to be controlled by a tightly 1inked cluster of loci. Analysis of gene expressi0n and DNA sequence variation indicates that isoform expressi0n differences contribute to the functional differences between dsxmimicry alleles, and protein sequence evolution may also have a role. Our results combine elements from different hypotheses for the identity of supergenes, showing that a single gene can switch the entire wing pattern among mimicry phenotypes but may require multiple, tightly 1inked mutations to do so.

来源: Nature 浏览次数:24

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