PNAS：能让蝴蝶翅膀上出现彩虹的基因

华盛顿大学的一组研究人员发现了一种基因，该基因决定了紫外线虹彩是否会出现在蝴蝶的翅膀上。在《美国国家科学院院刊》(proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的一项研究中，该团队表明，在翅膀缺乏紫外线颜色的蝴蝶身上去除这种基因，会导致翅膀上出现明亮的紫外线彩虹斑。根据研究人员的说法，该基因在物种进化过程中扮演着关键的角色，通过这个过程物种变得不同于其他物种。

“作为进化生物学家，我们对识别和理解驱动物种间生理差异的基因很感兴趣，”乔治·华盛顿大学生物学助理教授、论文的第一作者阿诺德·马丁(Arnaud Martin)说。“在这里，我们展示了在两个不同的蝴蝶物种中，一个基因是如何决定紫外线颜色的开启或关闭的。因为这两个物种的地理范围在今天是重叠的，所以在寻找配偶时，视觉上的区别就变得更加重要。”

在这项研究中，研究人员观察了两种北美蝴蝶:橙色硫斑蝶(Colias eurytheme)和云状硫斑蝶(Colias philodice)。雄性橙色硫蝶的翅膀能反射肉眼看不见的紫外线，而雌性和雄性和雌性云纹硫蝶的翅膀则不能显示紫外线的颜色。

据研究人员称，图案和颜色等视觉线索，包括紫外线彩虹色，可以帮助动物识别自己的物种，并找到潜在的配偶。与错误的物种交配在进化上代价高昂，并导致后代不育。雄性的橙色硫蝴蝶有着紫外光色的翅膀，可以帮助同种类的雌性蝴蝶识别出自己的雄性。

在现代之前，这两个物种在生态上彼此隔离，并发展出截然不同的特征。但是，随着美国农民加强对紫花苜蓿(硫蝴蝶最喜欢的食物来源)的种植，这两个物种成群结队地涌向紫花苜蓿地，增加了其中一些与另一些交配并交换基因的机会。特别是橙色的硫蝴蝶，曾经只局限于北美的西半部，现在已经在北美大陆的东部定居，并与云状的硫物种融合在一起。

在实验室里，研究人员扫描了东部种群的橙色硫和云状硫的基因组，以观察在过去一个世纪的杂交中，哪些基因合并了，哪些基因保持了差异。他们的分析表明，这两个物种明显交换和共享了基因，它们各自的染色体看起来非常相似。然而，唯一的例外是性染色体，它在两个物种之间仍然是不同的。这表明性染色体上有一些关键基因，使这两个物种在某种程度上保持不同，包括紫外线着色。

研究小组缩小了性染色体中引起紫外线彩虹色的部分，并确定了一种被称为brac基因的基因，当这种基因在细胞中表达时，会产生包括蝴蝶翅膀在内的个体微观尺度。然而，研究人员注意到一些细胞不表达这种基因。这些细胞被证明是翅膀中产生紫外线彩虹色鳞片的细胞。

“这有点像解决一个巨大的数独难题，”马丁实验室的博士后科学家、论文的第一作者之一乔·汉利(Joe Hanly)说。“当我们看到结果时，非常激动。就在我们眼前，我们发现了一种基因，使这些物种看起来彼此不同。”

使用高倍电子显微镜，研究小组还可以看到基因的存在或缺失如何塑造了鳞片的纳米结构，他们怀疑，他们放大紫外光的能力。利用基因组编辑技术CRISpR，他们关闭了非彩虹蝴蝶的基因。不仅鳞片的纳米级结构发生了变化，蝴蝶的外观也发生了变化。

马丁实验室的博士生文森特·费卡罗塔(Vincent Ficarrotta)是这篇论文的第一作者之一，他说:“这种蝴蝶身体的大部分都覆盖着能反射紫外线的鳞片，包括云状硫磺蝴蝶。”“通常只有黄色或橙色的鳞片现在可以反射紫外线。”

马丁说，还有一些问题需要回答，比如性染色体上是否存在与配偶选择有关的其他基因，以及构成物种差异的小饰物基因突变的数量和确切性质。然而，他指出，研究这两种蝴蝶物种提供了一个独一无二的机会来观察进化过程。

马丁说:“物种形成研究经常比较分离过程非常早期的物种，或者分离时间太长，积累了太多差异，无法进行有意义的基因组分析的物种。”“这里我们有一对不太相同，也不太不同的物种，杂交已经很强烈，但不到一个世纪的历史。这是一个研究物种形成的金发系统。”

A genetic switch for male UV-iridescence in an incipient species pair of sulphur butterflies