以小見大，大數據多組學揭開玉帶鳳蝶演化秘密

□文｜張蔚

演化生物學關注生命過程的基本問題，自達爾文劃時代的演化理論提出之后，在思辨推理中不斷的延續拓展。它探究的問題自生命誕生而始，貫穿至今，直至未來。

如何解釋生物多樣性？生命如何繁衍、變異、適應？物種是如何界定和形成？種種疑問隨著科學積累愈加明晰，又在曲折中盤旋上升。

2007年《科學》雜志建刊125周年時提出了125個最具挑戰性的科學問題，其中最重要的前25個問題即包括了：地球生命何時和如何產生？什么決定了物種多樣性？

問題提出至今十余年間，科學發展已經日新月異。

此外，基礎演化理論研究與人類生活的關系日益密切，生態文明作為一個人類文明發展的新階段，更加重視保護和建設生物多樣性，物種多樣性則是生物多樣性的核心。

作為一名演化生物學工作者，我在研究經歷中親身體會到了時代浪潮推動這一經典學科蓬勃發展，期望以小見大，以蝴蝶擬態為例，闡述生物演化研究的精彩魅力。

蝴蝶是一類鱗翅目昆蟲，物種多樣性非常豐富。演化研究關注蝴蝶翅膀的花紋，這是因為蝴蝶翅膀結構相當簡單，但承載著復雜的功能，例如運動和求偶等，并且幫助蝴蝶更好的抵御天敵。

例如一類我國南方常見的無毒的玉帶鳳蝶，其部分雌蝶展現出模仿有毒的紅珠鳳蝶的鮮艷花紋，由于這一類假警戒的模仿形式首先由英國博物學家貝茨在1862年研究巴西蝶類時提出，因此稱為“貝氏擬態”。

自達爾文和華萊士時期起，玉帶鳳蝶擬態便為人所知，并作為教科書中列舉的經典實例，一百多年來，科學家一直致力于在形態和理論范疇研究這一類復雜擬態性狀，并通過飼養觀察其后代表型，認為它可能是被一個單一孟德爾位點控制，提出了擬態超級基因假說，即多個連鎖的基因共同控制這一復雜性狀。

我在芝加哥大學Kronforst教授的指導下進行博士后研究，參與到了研究玉帶鳳蝶擬態遺傳機制的工作。合作者Kunte博士首先飼養了幾百只蝴蝶建立家系，對這個控制擬態的遺傳位點進行粗定位，由于采用方法的分辨率的局限，獲得的位點包含五個基因。

得益于迅速發展的高通量核酸測序技術，我對玉帶鳳蝶進行了局部基因組組裝和全基因組關聯分析，將該位點定位到了單基因-雙性基因，這一基因在模式生物果蠅中被證明是一個控制性別決定的關鍵基因。

我進一步在蝴蝶中鑒定了雙性基因的不同剪切形式，找到了控制這一擬態特征的雌性轉錄本，以及發現了該擬態基因是被保留在一段倒位的染色體結構變異中，至此解開了玉帶鳳蝶擬態的機制。

此后的研究中，日本科學家Fujiwara課題組對該蝴蝶的基因組進行組裝，再次確定這一段擬態基因的染色體倒位區域，并采用RNA干擾實驗對該基因進行了功能驗證。

后來，我對該擬態基因的起源的演化進行研究，將研究范圍拓展至更多的近緣種鳳蝶，應用了全基因組的群體遺傳學分析，揭示了這一擬態和染色體變異的單起源事件，并在理論上提出了擬態可能伴有負面效應的遺傳負荷，使得雌性擬態—非擬態的多態性得以共存。

在多個研究團隊的共同努力下，玉帶鳳蝶擬態這一經典科學問題得以解答，新的研究成果被收錄進多本教科書。從一個世紀前的博物觀察直至百年后經典問題的最終揭秘，離不開演化研究者對科學問題的執著求索以及大數據時代多組學技術的有力支撐。在這樣一個快速發展整合創新的時代，繼續這樣的演化研究和傳播理性思維，我們面對著復雜的問題和空前的機遇，也肩負著嶄新的使命。