詩人楊萬里眼中的蝴蝶，是“飛入菜花無處尋”；畫家梵高眼中的蝴蝶，是一副后印象派風(fēng)景畫。

▲圖 | 梵高畫作《兩只白蝴蝶》（來源：資料圖）

而在科學(xué)家眼里，蝴蝶則是數(shù)十萬年演化所留下痕跡的載體。近日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院&北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張蔚研究員，揭示了枯葉蛺蝶的演化史、以及相關(guān)遺傳基礎(chǔ)。

這給生物多樣性的研究提供了新理論和新范式，為理解地理變化和自然驅(qū)動(dòng)的演化帶來了全新視角，拓展了人類的知識(shí)邊界。近日，相關(guān)論文以封面文章的形式發(fā)表在 Cell 上。

▲圖 | 張蔚（來源：張蔚）

談及初心，張蔚表示：“想要研究枯葉蛺蝶，也是我回到中國建立獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室和開展研究的重要原因之一?！?/span>

此次研究里，她建立了一個(gè)聚焦枯葉蛺蝶的新型研究體系，可用于探索和研究關(guān)于生物演化的問題，包括物種多樣性、遺傳多樣性、適應(yīng)性演化等。

（來源：張蔚實(shí)驗(yàn)室）

枯葉蛺蝶是一類著名的擬葉偽裝的生物，很早之前就被人們認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)。

例如，與達(dá)爾文共同提出自然選擇理論的英國演化生物學(xué)先驅(qū)阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace），就評(píng)價(jià)它們是“蝴蝶中最美妙和毫無疑問的保護(hù)性偽裝”。

如果把蝶翅分為背腹兩面，這類蝴蝶的翅背面具有對(duì)比明顯的斑塊花紋。張蔚推測這可能是為了便于求偶，也可能是用于警示天敵，但還有待于進(jìn)一步研究。

而根據(jù)它們的習(xí)性，多數(shù)時(shí)候其蝶翅呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，翅腹面具備擬葉形的表型。其上的花紋結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，具備葉柄、中脈、次脈、甚至是霉斑，這些表型可能受到了自然選擇的驅(qū)動(dòng)。

需要注意的是，精妙的花紋結(jié)構(gòu)并不是蝴蝶“主動(dòng)”形成的，而是被施加選擇壓力后的被動(dòng)演化結(jié)局。因此，采用該團(tuán)隊(duì)的體系，可分別用于研究翅背腹面受到不同選擇壓力下的表型演化。

▲圖丨Cell 當(dāng)期封面枯葉與蝶（來源：張蔚）

研究中，其采用宏觀演化和微觀演化結(jié)合的研究視角，厘清了枯葉蛺蝶屬物種的演化歷史，這能給研究它們的適應(yīng)性演化、以及物種關(guān)系打下基礎(chǔ)。此外，張蔚還研究了蝶翅腹面的葉形擬態(tài)的遺傳機(jī)制。

期間，她和團(tuán)隊(duì)解析了枯葉蛺蝶屬的物種多樣性、以及遺傳多樣性的起源演化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，喜馬拉雅東部這一山地的生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)，是枯葉蛺蝶屬物種的分化中心。

而葉形擬態(tài)的多態(tài)性，受到單基因 cortex 的控制。它是一個(gè)工具盒基因，在蝴蝶翅的發(fā)育過程中起著重要作用。

張蔚還發(fā)現(xiàn)在枯葉蛺蝶屬里，這種葉形多態(tài)性經(jīng)受過長期的平衡選擇。同時(shí)，cortex 基因也是自然選擇施加壓力的一個(gè)熱點(diǎn)，在以往多個(gè)著名的演化生物學(xué)研究體系發(fā)揮過作用。

例如，其參與控制了樺尺蠖的工業(yè)黑化、以及袖蝶的穆氏擬態(tài)的警戒色。而本次研究中，張蔚發(fā)現(xiàn) cortex 基因也能控制枯葉蛺蝶的葉形擬態(tài)多態(tài)性。

期間，她和團(tuán)隊(duì)一共發(fā)現(xiàn) cortex 基因的 5 種等位基因，并發(fā)現(xiàn)它們至少參與產(chǎn)生 10 種不同的擬葉表型。由于長期的平衡選擇，這些擬葉的表型被維持在枯葉蛺蝶屬內(nèi)的多個(gè)物種中。

值得注意的是，這是一個(gè)罕見的、長期平衡選擇的案例。一般來說，平衡選擇多見于物種以下水平，同時(shí)這可能會(huì)帶來遺傳負(fù)荷，進(jìn)而給種群造成壓力。

但對(duì)于枯葉蛺蝶來說，具有豐富的擬態(tài)表型可謂利大于弊，也能讓其“偽裝”得更自然。試想一下，如果葉形表型千篇一律，很容易拉高偽裝的“穿幫”風(fēng)險(xiǎn)。

總體而言，該研究揭示了枯葉蛺蝶屬的生物多樣性起源與演化、以及山地生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)在它們演化中扮演的角色。課題組還提出了如下創(chuàng)新理論：即地理變化和自然選擇共同驅(qū)動(dòng)著復(fù)雜的演化。同時(shí)，該研究也揭示了發(fā)育保守性以及可演化性的耦合機(jī)制。

近日，相關(guān)論文以《枯葉蛺蝶的演化與分化》（The evolution and diversification of oakleaf butterflies）為題，發(fā)表在 Cell 上。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生王姝婷、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生滕德群、中科院昆明動(dòng)物研究所李學(xué)燕副研究員為共同第一作者，張蔚擔(dān)任通訊作者[1]。

（來源：Cell）

審稿人表示，研究人員建立了一個(gè)以枯葉蛺蝶為模式的比較基因組學(xué)研究模型，該模型很有魅力、且令人信服，充分展示了自然選擇塑造精致的偽裝細(xì)節(jié)的力量。并稱贊該團(tuán)隊(duì)部署了一個(gè)令人印象深刻的基因組工具庫來探索演化歷史。

還有一位審稿人表示：“總的來說這篇論文給人感覺非常完整，講述了一個(gè)引人注目的故事，涉及到頻率依賴的負(fù)選擇、以及不同表型的演化和維持?！?/span>

在論文發(fā)表的當(dāng)天，張蔚收到一位英國同行的郵件（該同行曾領(lǐng)導(dǎo)過一項(xiàng)解析樺尺蠖工業(yè)黑化遺傳機(jī)制的研究）。他在郵件中說道：“感謝你的這一引人入勝的工作。一幅關(guān)于控制鱗翅目昆蟲翅型多態(tài)性的幾個(gè)主要遺傳開關(guān)，在漫長和短暫的時(shí)間跨度中被反復(fù)招募的畫面正在逐漸出現(xiàn)。”

一個(gè)靈光乍現(xiàn)的想法成為現(xiàn)實(shí)

據(jù)介紹，該研究的萌芽可回溯到 2015 年。當(dāng)時(shí)，張蔚在芝加哥大學(xué)生態(tài)與演化系做博后研究，其導(dǎo)師馬庫斯·克朗福斯特（Marcus Kronforst）教授是蝴蝶領(lǐng)域的專家。

當(dāng)時(shí)，張蔚主要研究玉帶鳳蝶、及其相關(guān)的近緣鳳蝶物種，但更多聚焦在南美袖蝶屬。她對(duì)蝴蝶研究很感興趣，不僅會(huì)閱讀最新文獻(xiàn)，也經(jīng)常閱讀經(jīng)典著作。

其表示：“有一天我在讀華萊士的一本書《Mimicry, and other protective resemblances among animals》，這本書介紹了他所見過的各種具備保護(hù)性偽裝能力的動(dòng)物及其特征。我讀到了他對(duì)枯葉蝶的一段描述：'但在我所見過的蝴蝶中，最奇妙、最無可置疑的保護(hù)性相似案例是常見的枯葉蛺蝶和與它同屬的爪哇枯葉蛺蝶”。

華萊士花費(fèi)很大篇幅，來記錄枯葉蛺蝶屬物種留給他的深刻印象。當(dāng)張蔚看到“從來沒有人看到它們棲息在花朵或綠葉上，但它們很多次在灌木叢或枯葉樹中消失不見”這段描述，她想起自己曾在枯葉蛺蝶中華亞種的產(chǎn)地之一——四川樂山，試圖尋找過它們的蹤跡，但卻并未找到。

后來，她終于找到枯葉蛺蝶的標(biāo)本。觀察之后，她確信自己找到了很好的研究體系，即使用枯葉蛺蝶的翅的兩面，來分別研究不同選擇壓力驅(qū)動(dòng)下的表型演化。

“我把這個(gè)想法分享給導(dǎo)師 Marcus、以及和我同系的著名華人演化生物學(xué)家龍漫遠(yuǎn)教授，他們都表示支持。我迫切地想要研究枯葉蛺蝶，但前提是得飼養(yǎng)和采集?！?a data-miniprogram-appid='wx99cc64e6169731cc' data-miniprogram-path='pages/professor-detail/index?personage_id=6117' data-miniprogram-nickname='絡(luò)繹科學(xué)' data-miniprogram-type='text' data-miniprogram-servicetype='' href=''>張蔚說。

由于蝴蝶是變態(tài)發(fā)育的昆蟲，幼蟲期的枯葉蛺蝶的食物，是特定的爵床科寄主植物。它們不像是張蔚當(dāng)時(shí)研究的玉帶鳳蝶，雖然這種蝴蝶棲息地也是在亞洲，但是它的寄主柑橘類植物，卻很容易在北美獲取。而要在北美地區(qū)飼養(yǎng)和研究枯葉蛺蝶，并獲取它們的寄主植物，可謂非常困難。

事實(shí)上，一直以來針對(duì)非模式生物開展研究，都面臨著諸多困難。由于很少有科研團(tuán)隊(duì)研究它，一些經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)只能靠張蔚自己摸索。早期，到哪里采集枯葉蛺蝶和寄主植物？如何飼養(yǎng)？如何開展實(shí)驗(yàn)操作？都是她和團(tuán)隊(duì)經(jīng)常遇到的難題。

盡管如此，枯葉蛺蝶最讓張蔚著迷的地方，莫過于通過研究它們、來試圖回答科學(xué)問題的過程。

她說：“幸運(yùn)的是，有很多志同道合的合作者加入了我們，讓枯葉蛺蝶作為模式動(dòng)物成為可能。團(tuán)隊(duì)里，有具備幾十年豐富野外蝴蝶調(diào)查經(jīng)驗(yàn)的老師，有在蝴蝶中開展遺傳發(fā)育研究的老師，也有在野外和實(shí)驗(yàn)室堅(jiān)持工作數(shù)年如一日的同學(xué)們，大家毫無保留地交流，讓源于 8 年前的一個(gè)靈光乍現(xiàn)的想法成為現(xiàn)實(shí)?！?/span>

（來源：Cell）

無限風(fēng)光在險(xiǎn)峰

研究期間，有三個(gè)讓張蔚印象深刻的故事。

其一是枯葉蛺蝶屬物種的故事。

枯葉蛺蝶屬里存在多個(gè)物種，有些物種里還存在亞種水平的分化。在樣本采集初期，張蔚并未完全掌握這些情況。她甚至發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)物種竟然具有不同的異名。究其原因，這是不同團(tuán)隊(duì)在不同地區(qū)采集到同一物種后，分別進(jìn)行研究和命名之后，所遺留的歷史問題。

對(duì)于該課題組的成員們來說，他們的知識(shí)體系并不完全相同，一開始大家用不同的名字稱呼同一物種，交流討論一度面臨困難。隨著對(duì)蝴蝶的深入了解，并在獲得更全面的遺傳信息后。他們才意識(shí)到該問題的存在，并將其予以糾正。

其二是野外工作的故事。

在采集枯葉蛺蝶屬物種的樣本時(shí)，課題組去過多個(gè)采集地點(diǎn)。在大部分采集點(diǎn)，都會(huì)采集到單個(gè)枯葉蛺蝶屬的物種。而這也是枯葉蛺蝶屬的物種留給他們的第一印象。

當(dāng)他們?cè)谖鞑刈灾螀^(qū)墨脫縣進(jìn)行采集時(shí)，遇見一則“例外”。他們采集了多個(gè)枯葉蛺蝶屬物種的樣本，當(dāng)時(shí)以為是和其它地區(qū)的采集樣本弄混了。后來，通過基因組遺傳結(jié)構(gòu)分析，才弄清楚它們的種群結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確認(rèn)它們是來自墨脫的樣品。

“借此我們提出假設(shè)，即墨脫縣所在的喜馬拉雅東部地區(qū)，可能是枯葉蛺蝶屬物種的分化中心、亦或者是它們?cè)诒诘?避難所’。而我們后來的研究證據(jù)，支持了前一個(gè)假設(shè)。這說明喜馬拉雅東部的山地生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)，在生物多樣性中發(fā)揮了重要作用?！?a data-miniprogram-appid='wx99cc64e6169731cc' data-miniprogram-path='pages/professor-detail/index?personage_id=6117' data-miniprogram-nickname='絡(luò)繹科學(xué)' data-miniprogram-type='text' data-miniprogram-servicetype='' href=''>張蔚表示。

其三是在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)葉形擬態(tài)多態(tài)性的故事。

研究非模式生物，必須充分地了解它們。不僅是到野外真實(shí)生境中采集，還要對(duì)其開展實(shí)驗(yàn)操作。

其間，偶然和必然共存，不僅得有耐心，還得保持觀察和發(fā)現(xiàn)。課題組發(fā)現(xiàn)，北京的地上環(huán)境，并不利于蝴蝶的生長繁殖，而地下二層則能保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度和濕度，更接近于蝴蝶的天然生境。

由于場地限制，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)樓的地下二層，改建出一個(gè)蝴蝶飼養(yǎng)室。他們頂著飼養(yǎng)室的悶熱難耐，在完全的人工環(huán)境下飼養(yǎng)出了枯葉蛺蝶的中華亞種，借此發(fā)現(xiàn)了多種葉形的表型。

接著，又選出具有特定表型的個(gè)體，以便進(jìn)行家系實(shí)驗(yàn)。后來，他們發(fā)現(xiàn)了枯葉蛺蝶子代中的性狀分離。

說到這里張蔚表示：“要養(yǎng)大這些個(gè)體絕非易事，枯葉蛺蝶的食量巨大，飼養(yǎng)的單只幼蟲，可能就要吃掉幾十株寄主植物的幼苗。因此，我們還得飼養(yǎng)大量的寄主植物，以便給枯葉蛺蝶作為食物?！?/span>

接下來，他們逐漸確認(rèn)了如下結(jié)論：即多態(tài)表型均由單個(gè)孟德爾基因座控制。借此其推斷認(rèn)為：有 5 種等位基因在控制著這 10 種表型。

再后來，通過全基因組的關(guān)聯(lián)分析、以及個(gè)體基因組的組裝，課題組將單基因和它的 5 種單倍型基因的存在，全部予以確認(rèn)。

而后，要進(jìn)行基因編輯的功能鑒定。在發(fā)育過程中，這一單基因承擔(dān)著重要作用，“出了名”地難以被敲除。因此，即便完成單個(gè)的實(shí)驗(yàn)，也得耗時(shí)幾個(gè)月。

可以說，對(duì)非模式生物開展實(shí)驗(yàn)研究，要想獲得有意思的發(fā)現(xiàn)，往往要付出更多“（而）我把它們作為故事講出來，希望能與大家在科學(xué)研究中共勉，這彷佛是一個(gè)攀登的過程，無限風(fēng)光在險(xiǎn)峰，充滿了挑戰(zhàn)和驚喜?！?a data-miniprogram-appid='wx99cc64e6169731cc' data-miniprogram-path='pages/professor-detail/index?personage_id=6117' data-miniprogram-nickname='絡(luò)繹科學(xué)' data-miniprogram-type='text' data-miniprogram-servicetype='' href=''>張蔚說。

盡管是基礎(chǔ)研究，但是張蔚還是列舉了一個(gè)直接應(yīng)用案例。她說：“我在博后階段參與的關(guān)于玉帶鳳蝶的研究論文于 2014 年發(fā)表，后來陸續(xù)被收錄在兩本經(jīng)典教科書里[2]。我希望這些關(guān)于蝴蝶的研究，可以作為生動(dòng)形象的載體，幫助學(xué)生們了解相關(guān)知識(shí)體系的框架，如果能激發(fā)他們的研究興趣就更好了?！?/span>

如上所述，此篇論文解鎖了新的研究體系。采用該研究體系，可以研究很多演化生物學(xué)問題。如果將枯葉蛺蝶作為一個(gè)研究體系，該研究只是一個(gè)開始，未來還需接受時(shí)間的檢驗(yàn)，以及更多后續(xù)研究的互相支撐。

此外，組成擬態(tài)表型的機(jī)制也大有玄機(jī)，不僅有已被解析到的色素色的可遺傳多態(tài)性，結(jié)構(gòu)色和表觀因素也會(huì)對(duì)葉形表型產(chǎn)生影響，而這些都只局限于枯葉蛺蝶的翅腹面。

目前，枯葉蛺蝶翅背面的花紋起源演化、翅背腹面不對(duì)稱的調(diào)控機(jī)制等，都是未知因素。而每一個(gè)科學(xué)問題都可能產(chǎn)生諸多分支，這也充分體現(xiàn)了枯葉蛺蝶作為研究體系的魅力。

因此，關(guān)于葉形擬態(tài)多態(tài)性的研究遠(yuǎn)未結(jié)束。這些多樣的擬葉表型，在不同枯葉蛺蝶屬物種的分布頻率各不相同，很可能是由于不同棲息地的植被特征導(dǎo)致的。關(guān)于此，張蔚目前仍在深入研究。