Sylvain CORDIER/GAMMA-RAPHO
撰文 | 杨小灵 （普林斯顿生态演化系博士生）
责编 | 汤佩兰
“美丽的东西总是有毒的”，这句话放在帝王蝶身上可不会错。帝王蝶原产于北美，黑橙相间，身形硕大；不只如此，其仍是世界上仅有能进行长间隔迁徙的蝴蝶，由加拿大至墨西哥将近5000公里，不计其数只蝴蝶一起展翅飞旋，真实壮丽。 话说 “适千里者，三月聚粮”，可谁知帝王蝶的幼虫居然吃且仅吃一种叫作“乳草”（milkweed）的有毒植物。乳草排泄的毒素叫 “强心甾” （cardenolide），专门和动物体内的钠钾泵结合，量少时可治疗心功用不全，量大则丧命，人类误食一般会非条件反射地吐逆出来。
钠钾泵，望文生义，是保持细胞表里钠钾离子浓度安稳的重要转运酶，发现它的丹麦科学家斯科（Skou）还于1997年取得了诺贝尔化学奖。钠钾泵被强心甾 “结合”之后就不能正常工作了，从而渗透压失衡细胞决裂，成果有多严峻可想而知。乳草就凭借着这一强壮的 “化学武器” 遣散觊觎自己的昆虫们。 但帝王蝶的幼虫却视若无睹，照吃不误。这还不算，帝王蝶还能将乳草的毒素储存在自己的身体里。吃顿饭的时刻自己也有了 “化学武器” ，这一招可吓得捕食者们纷繁绕道而行，从此鲜艳美丽的帝王蝶招摇过市，再无害怕。 这是怎么做到的呢？本来帝王蝶的钠钾泵发作了骤变，这样一来强心甾就不再能够严密地结合了，天然也就不会阻碍钠钾离子的正常转运了。
图片：Mindy Lighthipe
日前，加州大学伯克利分校的诺亚·怀特曼（Noah Whiteman）试验室和哥伦比亚大学的彼得·安德伐特（Peter Andolfatto）试验室，别离独立发现了帝王蝶的这种抗毒性主要由三个氨基酸骤变形成，并经过不同的基因修改技能将这三个小骤变转入果蝇，使本来不抗毒的果蝇对强心甾的抗性提高了最多1000倍，俨然成了 “帝王蝇”。二者的成果别离宣布在最新一期《天然》（Nature）和八月底的eLife 上。
其实不只帝王蝶，直翅目、半翅目、膜翅目、鞘翅目、双翅目、鳞翅目都有单个昆虫演化出了食用有毒乳草的奇特才干。测序技能的开展使科学家们发现这些能够反抗强心甾的昆虫的钠钾泵均有骤变，且为屡次独立演化。一切骤变中，111，119，122 这三个位点上的骤变频率最高，这引起了研讨人员的分外留意。 怀特曼组经过 Crispr-Cas9 基因修改技能，构建了含有这三个位点的骤变的转基因果蝇。针对抗毒性的检测发现，当引进111骤变时抗性略有添加，引进119骤变根本不变，111+119 双骤变比111单骤变的抗性要强，122单骤变使抗毒性大幅增强，但仍是111+119+122悉数三个骤变一起存在抗毒才干最强，添加了简直1000倍，和帝王蝶的抗毒水平相等。 一起怀特曼组也对转基因果蝇进行了 “癫痫-瘫痪” 测验。这个试验是将果蝇置于瓶内剧烈晃动，并记载其康复站立所需时刻，用以反映神经体系应对突发机械影响的才干。正常野生型果蝇会在轰动后当即从头站起，但具有骤变的果蝇就没有那么健康了。比方只要122骤变的果蝇均匀花费90秒才干从头站立，111骤变的果蝇花费约50秒，而119骤变的果蝇和野生型并无二致。111+119双骤变和111+119+122三骤变的果蝇组内差异较大，但均匀下来仍挨近正常野生型果蝇。 这与此前宣布的安德伐特组的研讨成果一起。他们的研讨规模包括了一切食用乳草的昆虫，经过attP基因修改技能构建了一切这三个位点上的常见骤变。结论是一起的，即当在具有111和122位点单骤变的果蝇中引进本来并不抗毒的119骤变，会使果蝇的抗毒才干大增，一起应对外界影响的才干也增强。此外，安德伐特组一起检测了纯合果蝇与杂合果蝇——由于当骤变最开端呈现在二倍体中时一定是杂合状况的，所以对杂合体的评价更能精确地了解抗毒性呈现的演化途径。
基因表达检测显现，在杂合果蝇中，骤变钠钾泵和正常钠钾泵在表达量上并无差异；骤变钠钾泵的抗性明显添加，纯合的抗性高于杂合； “癫痫-瘫痪” 测验中纯合却比杂合需求更绵长的康复时刻。 总结一下，尽管122位点的骤变抗毒才干强，但副效果也最强；119位点的骤变虽不抗毒，但也没什么副效果；111位点的骤变介于二者之间。所以揣度，111和119上的骤变一起演化，122上的骤变于这以后呈现。这也正契合体系发作上咱们所见到的规则：大都食用乳草的昆虫一起具有111和119位点上的骤变，而具有122骤变的生物，一般也都具有111和119上的骤变。
别的，单个骤变刚呈现时以杂合的方式存在来防止激烈的副效果；直到后续骤变连续呈现将副效果削弱，纯合体才逐步占有优势将骤变固定下来。正是沿着这样的途径，本无法反抗乳草毒液的果蝇，一步一步成为了钠钾泵功用无多丢失，但却和帝王蝶抗毒才干平起平坐的 “帝王蝇”。
这两项研讨初次经过基因修改在多细胞生物体内重现演化途径，而且证明了途径的挑选是非常有限的。
首要，钠钾泵上与强心甾触摸的位点数量有限，所以只要当随机骤变呈现在这些触摸的位点上时才会引起抗毒性的改动。其次，绝大大都骤变都是有害的，比方削弱钠钾泵本身的工作效率，引发神经与行为上的反常，这样的骤变会被筛选。最终，正如这两项研讨标明的，骤变的次序也很重要。纵然111和122这两个位点上的骤变能使昆虫取得强壮的抗毒才干，但也影响了它们的神经体系，119位点上的骤变则缓解了这种副效果，使得111和122上的骤变 “暗度陈仓”，在绵长的前史与强壮的挑选压力下得以保存。总归，以上种种要素约束了演化的速度，但也一起构成了趋同演化的遗传根底。 哈佛大学生物与演化生物学教授霍皮·胡克斯特拉（Hopi Hoekstra）称誉这两项研讨是 “近期看到最赏识的”、“完好美丽的故事”，“真的重现了演化前史”。芝加哥大学生态与演化系副教授马库斯·克朗福斯特（Marcus Kronforst）则在承受《科学》杂志采访时称二者是 “令人钦佩的”、 “罕见的经过在其它物种中重现某种形状来证明骤变的效果的研讨”。 在此之前，演化学家们一般将目光会集在现存的生物傍边，但这两项研讨使人们知道能够经过基因修改对骤变之间的相互效果进行研讨，一步一步恢复最有或许的演化轨道。 回望所来径，似乎若有光。
参考文献：
1. Karageorgi, M., Groen S.C., Verster K.I., Aguilar J.M.,Sumbul F., Hastings A.P., Pelaez J.N., Bernstein S.L., Matsunaga T., Astourian M.,Guerra G., Rico F., Dobler S., Agrawal A.A. & Whiteman N.K. 2019. Genome editing retraces the evolution of toxin resistance in the monarch butterfly. Nature. 232.
2. Taverner A., Yang L., Barile Z., Lin B., Peng J.,Pinharanda A., Rao A., Roland B., Talsma A., Wei D., Petschenka G., PalladinoM. and Andolfatto P. 2019. Adaptive substitutions underlying cardiac glycoside insensitivity in insects exhibit epistasis in vivo. eLife. 8.doi: 10.7554/eLife.4822
3. https:///2019/10/02/science/monarch-butterflies-milkweed.html
4. https://www.knowablemagazine.org/article/living-world/2019/monarch-butterflies-milkyweed-toxin
5. https://www.sciencemag.org/news/2019/10/how-monarch-butterfly-evolved-its-resistance-toxic-milkweed
制版修改 | 皮皮鱼
