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動植物共進化:高山植物偽裝機制的遺傳與生態(tài)解析

媒體:中國科學(xué)院昆明植物研究所  作者:內(nèi)詳
專業(yè)號:昆明市林草局 2025/3/25 15:29:11

https://mp.weixin.qq.com/s/wRle0li_Fo47qro9pIy3qA

原創(chuàng) 郭澤敏,牛洋

偽裝是動物慣用的防御手段,在進化生物學(xué)領(lǐng)域中頗受關(guān)注。動物通過改變體色和圖案,避免自身被發(fā)現(xiàn)或識別,以襲擊獵物或躲避天敵。我國青藏高原及周邊地區(qū),超過40種高山植物也具有典型的偽裝色彩(Huang et al.,2023)。此前,中國科學(xué)院昆明植物研究所的科研人員已對偽裝植物的進化開展長期系統(tǒng)的研究,近日,他們與蘭州大學(xué)的科研人員合作,揭開了植物偽裝進化機制的又一層面紗。

我國西南海拔4000 m以上的高山帶,凍融風化作用強烈,山體巖石崩解碎裂,散落堆積形成巖石碎屑坡,稱為高山流石灘(圖1)。盡管這里環(huán)境惡劣,但仍分布著諸多特有的動植物。一些紫堇屬Corydalis植物的葉片顏色與生長的碎石基質(zhì)融為一體,難以區(qū)分,堪稱流石灘上的“隱身大師”。這些植物恰是絹蝶屬昆蟲(一類北半球高山及高緯地區(qū)的蝴蝶)的寄主——雌性絹蝶成蟲依靠視覺尋找紫堇寄主,并將卵產(chǎn)在寄主附近。蝴蝶幼蟲孵化后即以紫堇為食,來自絹蝶的取食壓力很可能驅(qū)動了植物偽裝的進化。此前,昆明植物所泛第三極植物多樣性形成及創(chuàng)新驅(qū)動專題組的科研人員已利用該研究系統(tǒng),開展了一系列探索。他們揭示,偽裝的確能增加個體的生存概率,但又不影響光合效率(Niu et al.,2014);葉色在不同山頭發(fā)生顯著分化,以實現(xiàn)對當?shù)貛r石色彩的最佳匹配(Niu et al.,2017)。此外,紫堇屬植物的偽裝個體葉表積累大量花青素,這是形成偽裝表型的直接生理基礎(chǔ)(圖2)。不過,我們?nèi)圆磺宄烤鼓男┻z傳變異決定了偽裝色彩的形成。近日,利用半荷包紫堇的葉色二態(tài)性(偽裝和綠色個體在某些群體共存)和群體間的葉色分化,科研人員揭示了偽裝葉色的遺傳決定機制。

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圖1 高山流石灘生境

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圖2 半荷包紫堇葉色分異的色素基礎(chǔ)(引自Niu et al.,2017)

研究人員首先獲得了半荷包紫堇兩種葉色表型的高質(zhì)量基因組,并通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析,進一步揭示了花青素生物合成途徑中結(jié)構(gòu)基因的特異性表達以及代謝產(chǎn)物的積累如何導(dǎo)致偽裝色葉片的形成。基于6群體157份半荷包紫堇個體高質(zhì)量SV和SNP數(shù)據(jù)集,全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)發(fā)現(xiàn),4號染色體上的一個254 bp的轉(zhuǎn)座子插入bHLH35基因(bHLH35-ins),該變異與葉色變異密切相關(guān)。它作為“開關(guān)”增強了bHLH35基因的表達。作為調(diào)控花青素合成的轉(zhuǎn)錄因子,bHLH35基因的表達增強正向調(diào)控了下游的花青素結(jié)構(gòu)基因,促進了花青素合成,進而使植物從綠色轉(zhuǎn)變?yōu)閭窝b色(圖3)。該機制與經(jīng)典案例樺尺蛾的偽裝機制相似(也是通過轉(zhuǎn)座子插入增加黑色素表達),這在一定程度上體現(xiàn)了動植物偽裝遺傳機制的趨同進化。

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圖3 半荷包紫堇偽裝變異的遺傳機制

此外,研究者使用3D打印的綠色和偽裝色葉片在實地開展了控制實驗,探索了半荷包紫堇偽裝個體在防御絹蝶天敵上的成效和方式(圖4)。結(jié)果表明,絹蝶更傾向于在綠葉個體附近產(chǎn)卵。此外,自然狀態(tài)下偽裝個體受到的被取食壓力更小,有更高的結(jié)實率。

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圖4絹蝶產(chǎn)卵實驗和野外結(jié)實統(tǒng)計

基于過去500年的氣候數(shù)據(jù)與群體基因組學(xué)分析表明,植物群體與蝴蝶群體之間呈現(xiàn)出“鏡像波動”現(xiàn)象:氣候變暖背景下,綠色群體急劇下降,蝴蝶群體保持基本平衡;相反,偽裝群體基本穩(wěn)定,蝴蝶有效群體大小則急劇下降(圖5)。

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圖5 紫堇和絹蝶的群體動態(tài)

綜上,研究人員整合感官生態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)和進化生物學(xué)研究方法,解析了半荷包紫堇偽裝色彩進化的遺傳和生態(tài)適應(yīng)機制,完成了迄今為止最全面的植物偽裝分析和動植物共進化分析,為我們理解高海拔植物的生存策略提供了新的見解。

近日,相關(guān)研究以Genetic basis of camouflage in an alpine plant and its long-term co-evolution with an insect herbivore為題在線發(fā)表于生態(tài)與進化生物學(xué)頂級期刊Nature Ecology & Evolution。蘭州大學(xué)劉建全教授、華盛頓大學(xué)Susanne教授、中國科學(xué)院昆明植物所孫航院士、蘭州大學(xué)李敏潔青年研究員為文章的共同通訊作者。蘭州大學(xué)張涵博士及張攀博士后,中國科學(xué)院昆明植物所牛洋研究員、四川大學(xué)陶通州及蘭州大學(xué)劉剛碩士為共同第一作者。董聰聰、鄭澤宇、張增竹、李穎、牛智敏、劉文禹、魏延麗、郭澤敏、胡劭驥及楊揚參與了該研究。該研究得到了第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究、西藏自治區(qū)科技支撐計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目資助。

文:郭澤敏,牛洋

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