北大团队发现枯叶蛱蝶的演化秘密，为生物多样性研究提供新视角

诗人杨万里眼中的蝴蝶，是“飞入菜花无处寻”；画家梵高眼中的蝴蝶，是一副后印象派风景画。

▲图 | 梵高画作《两只白蝴蝶》（来源：资料图）

而在科学家眼里，蝴蝶则是数十万年演化所留下痕迹的载体。近日，北京大学生命科学学院&北大-清华生命科学联合中心张蔚研究员，揭示了枯叶蛱蝶的演化史、以及相关遗传基础。

这给生物多样性的研究提供了新理论和新范式，为理解地理变化和自然驱动的演化带来了全新视角，拓展了人类的知识边界。近日，相关论文以封面文章的形式发表在 Cell上。

▲图 | 张蔚（来源：张蔚）

谈及初心，张蔚表示：“想要研究枯叶蛱蝶，也是我回到中国建立独立实验室和开展研究的重要原因之一。”

此次研究里，她建立了一个聚焦枯叶蛱蝶的新型研究体系，可用于探索和研究关于生物演化的问题，包括物种多样性、遗传多样性、适应性演化等。

（来源：张蔚实验室）

枯叶蛱蝶是一类著名的拟叶伪装的生物，很早之前就被人们认识和发现。

例如，与达尔文共同提出自然选择理论的英国演化生物学先驱阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace），就评价它们是“蝴蝶中最美妙和毫无疑问的保护性伪装”。

如果把蝶翅分为背腹两面，这类蝴蝶的翅背面具有对比明显的斑块花纹。张蔚推测这可能是为了便于求偶，也可能是用于警示天敌，但还有待于进一步研究。

而根据它们的习性，多数时候其蝶翅呈现闭合状态，翅腹面具备拟叶形的表型。其上的花纹结构非常精细，具备叶柄、中脉、次脉、甚至是霉斑，这些表型可能受到了自然选择的驱动。

需要注意的是，精妙的花纹结构并不是蝴蝶“主动”形成的，而是被施加选择压力后的被动演化结局。因此，采用该团队的体系，可分别用于研究翅背腹面受到不同选择压力下的表型演化。

▲图丨Cell 当期封面枯叶与蝶（来源：张蔚）

研究中，其采用宏观演化和微观演化结合的研究视角，厘清了枯叶蛱蝶属物种的演化历史，这能给研究它们的适应性演化、以及物种关系打下基础。此外，张蔚还研究了蝶翅腹面的叶形拟态的遗传机制。

期间，她和团队解析了枯叶蛱蝶属的物种多样性、以及遗传多样性的起源演化。结果发现，喜马拉雅东部这一山地的生物多样性热点地区，是枯叶蛱蝶属物种的分化中心。

而叶形拟态的多态性，受到单基因 cortex 的控制。它是一个工具盒基因，在蝴蝶翅的发育过程中起着重要作用。

张蔚还发现在枯叶蛱蝶属里，这种叶形多态性经受过长期的平衡选择。同时，cortex 基因也是自然选择施加压力的一个热点，在以往多个著名的演化生物学研究体系发挥过作用。

例如，其参与控制了桦尺蠖的工业黑化、以及袖蝶的穆氏拟态的警戒色。而本次研究中，张蔚发现 cortex 基因也能控制枯叶蛱蝶的叶形拟态多态性。

期间，她和团队一共发现 cortex 基因的 5 种等位基因，并发现它们至少参与产生 10 种不同的拟叶表型。由于长期的平衡选择，这些拟叶的表型被维持在枯叶蛱蝶属内的多个物种中。

值得注意的是，这是一个罕见的、长期平衡选择的案例。一般来说，平衡选择多见于物种以下水平，同时这可能会带来遗传负荷，进而给种群造成压力。

但对于枯叶蛱蝶来说，具有丰富的拟态表型可谓利大于弊，也能让其“伪装”得更自然。试想一下，如果叶形表型千篇一律，很容易拉高伪装的“穿帮”风险。

总体而言，该研究揭示了枯叶蛱蝶属的生物多样性起源与演化、以及山地生物多样性热点地区在它们演化中扮演的角色。课题组还提出了如下创新理论：即地理变化和自然选择共同驱动着复杂的演化。同时，该研究也揭示了发育保守性以及可演化性的耦合机制。

近日，相关论文以《枯叶蛱蝶的演化与分化》（The evolution and persification of oakleaf butterflies）为题，发表在 Cell 上。北京大学前沿交叉学科研究院博士生王姝婷、北京大学生命科学学院博士生滕德群、中科院昆明动物研究所李学燕副研究员为共同第一作者，张蔚担任通讯作者[1]。

（来源：Cell）

审稿人表示，研究人员建立了一个以枯叶蛱蝶为模式的比较基因组学研究模型，该模型很有魅力、且令人信服，充分展示了自然选择塑造精致的伪装细节的力量。并称赞该团队部署了一个令人印象深刻的基因组工具库来探索演化历史。

还有一位审稿人表示：“总的来说这篇论文给人感觉非常完整，讲述了一个引人注目的故事，涉及到频率依赖的负选择、以及不同表型的演化和维持。”

在论文发表的当天，张蔚收到一位英国同行的邮件（该同行曾领导过一项解析桦尺蠖工业黑化遗传机制的研究）。他在邮件中说道：“感谢你的这一引人入胜的工作。一幅关于控制鳞翅目昆虫翅型多态性的几个主要遗传开关，在漫长和短暂的时间跨度中被反复招募的画面正在逐渐出现。”

一个灵光乍现的想法成为现实

据介绍，该研究的萌芽可回溯到 2015 年。当时，张蔚在芝加哥大学生态与演化系做博后研究，其导师马库斯·克朗福斯特（Marcus Kronforst）教授是蝴蝶领域的专家。

当时，张蔚主要研究玉带凤蝶、及其相关的近缘凤蝶物种，但更多聚焦在南美袖蝶属。她对蝴蝶研究很感兴趣，不仅会阅读最新文献，也经常阅读经典著作。

其表示：“有一天我在读华莱士的一本书《Mimicry, and other protective resemblances among animals》，这本书介绍了他所见过的各种具备保护性伪装能力的动物及其特征。我读到了他对枯叶蝶的一段描述：‘但在我所见过的蝴蝶中，最奇妙、最无可置疑的保护性相似案例是常见的枯叶蛱蝶和与它同属的爪哇枯叶蛱蝶”。

华莱士花费很大篇幅，来记录枯叶蛱蝶属物种留给他的深刻印象。当张蔚看到“从来没有人看到它们栖息在花朵或绿叶上，但它们很多次在灌木丛或枯叶树中消失不见”这段描述，她想起自己曾在枯叶蛱蝶中华亚种的产地之一——四川乐山，试图寻找过它们的踪迹，但却并未找到。

后来，她终于找到枯叶蛱蝶的标本。观察之后，她确信自己找到了很好的研究体系，即使用枯叶蛱蝶的翅的两面，来分别研究不同选择压力驱动下的表型演化。

“我把这个想法分享给导师 Marcus、以及和我同系的著名华人演化生物学家龙漫远教授，他们都表示支持。我迫切地想要研究枯叶蛱蝶，但前提是得饲养和采集。”张蔚说。

由于蝴蝶是变态发育的昆虫，幼虫期的枯叶蛱蝶的食物，是特定的爵床科寄主植物。它们不像是张蔚当时研究的玉带凤蝶，虽然这种蝴蝶栖息地也是在亚洲，但是它的寄主柑橘类植物，却很容易在北美获取。而要在北美地区饲养和研究枯叶蛱蝶，并获取它们的寄主植物，可谓非常困难。

事实上，一直以来针对非模式生物开展研究，都面临着诸多困难。由于很少有科研团队研究它，一些经验和技术只能靠张蔚自己摸索。早期，到哪里采集枯叶蛱蝶和寄主植物？如何饲养？如何开展实验操作？都是她和团队经常遇到的难题。

尽管如此，枯叶蛱蝶最让张蔚着迷的地方，莫过于通过研究它们、来试图回答科学问题的过程。

她说：“幸运的是，有很多志同道合的合作者加入了我们，让枯叶蛱蝶作为模式动物成为可能。团队里，有具备几十年丰富野外蝴蝶调查经验的老师，有在蝴蝶中开展遗传发育研究的老师，也有在野外和实验室坚持工作数年如一日的同学们，大家毫无保留地交流，让源于 8 年前的一个灵光乍现的想法成为现实。”

（来源：Cell）

无限风光在险峰

研究期间，有三个让张蔚印象深刻的故事。

其一是枯叶蛱蝶属物种的故事。

枯叶蛱蝶属里存在多个物种，有些物种里还存在亚种水平的分化。在样本采集初期，张蔚并未完全掌握这些情况。她甚至发现，同一个物种竟然具有不同的异名。究其原因，这是不同团队在不同地区采集到同一物种后，分别进行研究和命名之后，所遗留的历史问题。

对于该课题组的成员们来说，他们的知识体系并不完全相同，一开始大家用不同的名字称呼同一物种，交流讨论一度面临困难。随着对蝴蝶的深入了解，并在获得更全面的遗传信息后。他们才意识到该问题的存在，并将其予以纠正。

其二是野外工作的故事。

在采集枯叶蛱蝶属物种的样本时，课题组去过多个采集地点。在大部分采集点，都会采集到单个枯叶蛱蝶属的物种。而这也是枯叶蛱蝶属的物种留给他们的第一印象。

当他们在西藏自治区墨脱县进行采集时，遇见一则“例外”。他们采集了多个枯叶蛱蝶属物种的样本，当时以为是和其它地区的采集样本弄混了。后来，通过基因组遗传结构分析，才弄清楚它们的种群结构，进而确认它们是来自墨脱的样品。

“借此我们提出假设，即墨脱县所在的喜马拉雅东部地区，可能是枯叶蛱蝶属物种的分化中心、亦或者是它们在冰期的‘避难所’。而我们后来的研究证据，支持了前一个假设。这说明喜马拉雅东部的山地生物多样性热点地区，在生物多样性中发挥了重要作用。”张蔚表示。

其三是在实验室发现叶形拟态多态性的故事。

研究非模式生物，必须充分地了解它们。不仅是到野外真实生境中采集，还要对其开展实验操作。

其间，偶然和必然共存，不仅得有耐心，还得保持观察和发现。课题组发现，北京的地上环境，并不利于蝴蝶的生长繁殖，而地下二层则能保持相对稳定的温度和湿度，更接近于蝴蝶的天然生境。

由于场地限制，该团队在实验楼的地下二层，改建出一个蝴蝶饲养室。他们顶着饲养室的闷热难耐，在完全的人工环境下饲养出了枯叶蛱蝶的中华亚种，借此发现了多种叶形的表型。

接着，又选出具有特定表型的个体，以便进行家系实验。后来，他们发现了枯叶蛱蝶子代中的性状分离。

说到这里张蔚表示：“要养大这些个体绝非易事，枯叶蛱蝶的食量巨大，饲养的单只幼虫，可能就要吃掉几十株寄主植物的幼苗。因此，我们还得饲养大量的寄主植物，以便给枯叶蛱蝶作为食物。”

接下来，他们逐渐确认了如下结论：即多态表型均由单个孟德尔基因座控制。借此其推断认为：有 5 种等位基因在控制着这 10 种表型。

再后来，通过全基因组的关联分析、以及个体基因组的组装，课题组将单基因和它的 5 种单倍型基因的存在，全部予以确认。

而后，要进行基因编辑的功能鉴定。在发育过程中，这一单基因承担着重要作用，“出了名”地难以被敲除。因此，即便完成单个的实验，也得耗时几个月。

可以说，对非模式生物开展实验研究，要想获得有意思的发现，往往要付出更多“（而）我把它们作为故事讲出来，希望能与大家在科学研究中共勉，这彷佛是一个攀登的过程，无限风光在险峰，充满了挑战和惊喜。”张蔚说。

尽管是基础研究，但是张蔚还是列举了一个直接应用案例。她说：“我在博后阶段参与的关于玉带凤蝶的研究论文于 2014 年发表，后来陆续被收录在两本经典教科书里[2]。我希望这些关于蝴蝶的研究，可以作为生动形象的载体，帮助学生们了解相关知识体系的框架，如果能激发他们的研究兴趣就更好了。”

如上所述，此篇论文解锁了新的研究体系。采用该研究体系，可以研究很多演化生物学问题。如果将枯叶蛱蝶作为一个研究体系，该研究只是一个开始，未来还需接受时间的检验，以及更多后续研究的互相支撑。

此外，组成拟态表型的机制也大有玄机，不仅有已被解析到的色素色的可遗传多态性，结构色和表观因素也会对叶形表型产生影响，而这些都只局限于枯叶蛱蝶的翅腹面。

目前，枯叶蛱蝶翅背面的花纹起源演化、翅背腹面不对称的调控机制等，都是未知因素。而每一个科学问题都可能产生诸多分支，这也充分体现了枯叶蛱蝶作为研究体系的魅力。

因此，关于叶形拟态多态性的研究远未结束。这些多样的拟叶表型，在不同枯叶蛱蝶属物种的分布频率各不相同，很可能是由于不同栖息地的植被特征导致的。关于此，张蔚目前仍在深入研究。

参考资料：
1.Wang, S., Teng, D., Li, X., Yang, P., Da, W., Zhang, Y., ... & Zhang, W. (2022). The evolution and persification of oakleaf butterflies. Cell.
2.An Introduction to Molecular Evolution and Phylogenetics, Second Edition和Genetics: From Genes to Genomes (Hartwell), Sixth Edition