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蝴蝶基因组学-帝王蝶迁徙和飞行方式不同,但相遇和交配

每年都有数百万只黑脉金斑蝶从北美东部迁徙到美国北部到墨西哥中部越冬——绵延3000英里。与此同时,在落基山脉的另一边,西部的帝王蝶通常要飞300英里到太平洋海岸去加利福尼亚过冬。长期以来,人们认为东方和西方的君主在基因上是截然不同的。

然而,一项新的研究证实,尽管东西方蝴蝶的飞行方式不同,但它们的基因是相同的。由埃默里大学的进化生物学家领导的《分子生态学》杂志发表了这一发现。

“这很令人惊讶,”埃默里大学生物学教授、这项研究的资深作者贾普·德·鲁德(Jaap de Roode)说。他的实验室是世界上为数不多的研究帝王蝶的实验室之一。

“你可能认为具有不同行为和生态的生物体会表现出一些遗传差异,”de Roode说。“但我们发现从基因上无法区分西方和东方的蝴蝶。”

目前的论文建立在德鲁德实验室之前的工作基础上,该实验室发现了东方和西方帝王蝶的11个遗传标记之间的相似性,以及其他更有限的遗传研究、观察和跟踪数据。

“这是第一次对东西方帝王蝶进行全基因组比较,试图更好地理解它们的行为差异,”Venkat Talla说,他是目前这项研究的第一作者,也是埃默里大学实验室的博士后研究员。

塔拉分析了43只帝王蝶基因组中的2000多万个DNA突变,并没有发现东西方帝王蝶基因组差异的证据。相反,他发现了相同水平的遗传多样性。

塔拉说:“我们的研究表明,东方和西方的帝王蝶在一起交配和交换遗传物质的程度比以前认识到的要大得多。”“这也进一步证明,可能是环境的不同决定了它们迁徙模式的不同。”

该研究的合著者阿曼达·皮尔斯(Amanda Pierce)在德鲁德实验室(De Roode Lab)读研究生时发起了这个项目。皮尔斯此前对11个基因标记进行了研究。

皮尔斯说:“黑脉金斑蝶非常脆弱,重量也很轻,但它们却能飞行数千英里。”“它们是美丽的生物,是理解独特的先天行为的伟大模型系统。我们知道迁徙在某种程度上是根深蒂固的。”

帝王蝶离开它们的越冬地点后,它们飞往北方产卵。毛毛虫变成蝴蝶,然后飞得更远,交配并产下下一代卵。这个过程会重复几代,直到最后,随着白天变短,气温变冷,帝王蝶会破茧而出,开始向南飞行。这一迁徙的一代不花任何精力去繁殖或产卵,把它们都留给了长途旅行。

“每一只蝴蝶到达加利福尼亚或墨西哥,那是它的第一次旅程,”皮尔斯惊奇地说。

之前的研究已经发现,东方和西方的帝王蝶在翅膀形状上有轻微的差异。在目前的论文中,研究人员想要确定他们飞行风格的任何变化。

他们从佛罗里达州圣马克斯的候鸟中转站收集了东部帝王蝶,从加州Oceano附近的越冬站收集了西部帝王蝶。皮尔斯用蝴蝶进行了飞行试验,他把它们拴在一个磨坊上,磨坊把它们的飞行模式限制在周长约25英尺的范围内。这些试验是在模拟越冬地点的受控光线和温度条件下进行的。人造花卉被布置在飞行磨坊的四周。

皮尔斯解释说:“我们的想法是试图给它们一些‘自然’环境的假象,以帮助激励它们并引导它们。”

在进行了短暂的试验后,蝴蝶被完好无损地从飞行磨坊中释放出来。

结果表明,东方帝王蝶的飞行距离较远,而西方帝王蝶的飞行距离较短,但爆发速度较强。皮尔斯说:“从本质上讲,西方帝王蝶更强大的飞行特征就像短跑运动员,而东方帝王蝶的飞行特征更像马拉松运动员。”

皮尔斯毕业于埃默里大学,现在是华盛顿特区环境保护局的一名遗传学家

塔拉是生物信息学方面的专家,他在印度长大,那里丰富多样的野生动物激励他成为一名进化生物学家。他搬到瑞典获得博士学位,在那里他研究欧洲木白蝴蝶的基因组学。虽然所有的木白色看起来都一样,但它们实际上是三个不同的物种。

“我感兴趣的一个大问题是,一个个体物种是如何演变成多个物种的?”要这种说。“我想了解进化过程中的所有过程。”

他欣然接受了加入德鲁德实验室的机会。“帝王蝶一直是我最想研究的蝴蝶之一,因为它们有着不可思议的迁徙习性,”Talla说。“它们是一个迷人的物种。”

去年11月,他和德·鲁德一起去了东部帝王蝶越冬地的实验室实地考察,那里位于墨西哥中部帝王蝶生物圈保护区的内部和附近。上千万到上亿的帝王蝶在整个冬天覆盖在树木和景观上。“这是令人兴奋的景象,”塔拉说。“这让你想知道,他们怎么都知道如何到达那里。”

之前的跟踪和观察研究表明,至少有一些西部帝王蝶会向南飞到墨西哥,而不是向西飞到加利福尼亚。全基因组分析表明,可能有不少西方帝王蝶前往墨西哥,在那里它们与东方帝王蝶混在一起。当蝴蝶离开墨西哥时,有些可能会向西飞,而不是向东飞。

“来自多个方向的证据汇集在一起,支持同一观点,”德鲁德说。

这一发现可能有助于保护帝王蝶。由于栖息地的丧失、气候变化和缺少花蜜,东西方帝王蝶的数量在近几十年都在减少,其中西方的下降幅度最大。美国鱼类和野生动物管理局目前正在考虑是否需要对蝴蝶进行特殊保护。

德鲁德说:“如果环境因素是造成东西方帝王蝶差异的全部原因,那么我们就有可能通过将一些东方帝王蝶迁移到西方来帮助西方帝王蝶。”

德鲁德实验室现在计划调查究竟是什么在蝴蝶的环境中触发了它们不同的基因表达。

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