季节可塑性：蝴蝶翅型性状环境适应力如何进化？

报告人：中国科学院大学硕士研究生，陈国爱

导师：    罗阿蓉、朱朝东

一、原文信息：

Seasonal plasticity: how do butterfly wing pattern traits evolve environmental responsiveness?

Author links open overlay panelKarin RLvan der Burg, Robert DReed

Current Opinion in Genetics & Development

Volume 69, August 2021, Pages 82-87

二、摘要：

蝴蝶对环境因子表现出表型可塑性是很常见的现象；表型可塑性也是蝴蝶翅型多样性的主要推动力。在本文中，研究发现了蝴蝶的蜕皮激素是其可塑性的一个主要的调节因子。外部环境条件会影响体内的蜕皮激素浓度，从而导致蝴蝶翅型等表型发生交替变化。蜕皮激素介导的不同翅型性状的可塑性是可以独立进化的。最新发现的证据证明：蜕皮激素通过调控染色质重组机制，来调节果蝇的基因表达。因此认为蝴蝶对环境的反应，有可能是通过对染色质调节蜕皮激素的浓度，以此来促进不同季节的表型。根据蜕皮激素对环境的反应进化作用，提出了基因调控机制在可塑性反应中的模型，并提出了一系列可验证的假设。

三、介绍：

表型可塑性是蝴蝶在形态学多态性上的一个主要驱动力，是在发育过程中根据环境条件变化改变表型的能力。蝴蝶在发育过程中，环境因子的信号能够转化为内分泌的信号，进而激发交替的发育途径。蝴蝶的翅型、翅斑眼点大小等，都能独立的进化，已响应内分泌条件的变化，从而更好的适应具体环境条件。因此为了了解蝴蝶翅型可塑性是如何进化的，本文介绍了不同研究领域的最新进展，提出了一个新的研究框架，在整合进化、发育和基因调控的基础上，提出一系列明确、可测试的模型，要来说明季节可塑性如何在单个基因水平上进化。

四、正文主要内容：

       1、环境条件由内分泌信号介导

       在蝴蝶中，内分泌信号是环境条件的一个主要调控因子。不同的温度和光照条件已经被证实能够影响两种不同的蝴蝶（Bicyclus anynana 和 Junonia coenia,）的蜕皮激素的浓度。这已经成为研究物种表型可塑性的一个重要模式。

B. anynana是一种广泛分布在非洲东部的蛱蝶科蝴蝶，对温度表现出非常强且对应于雨季和旱季的表型可塑性。翅膀形态学特征，如颜色和腹侧眼斑大小，以及生活史特征，如体重和发育时间，都表现出强烈的季节性反应。在幼虫期和蛹期，都有一个蜕皮激素浓度变化期。在幼虫准备化蛹时，温度升高，蜕皮激素浓度也升高；在蛹期，温度升高，蜕皮激素浓度升高出现的时间会变早，低温时出现变迟，但是浓度不变。通过利用蜕皮激素处理实验表明：蜕皮激素早出现会影响翅型（如翅型图案），而晚出现则会影响生活史（如体重和发育时间）。蜕皮激素不仅能控制季节可塑性，在异性间也会出现异形。

J. coenia是分布在北美的一种蛱蝶，也显示出强烈的季节可塑性：幼虫和蛹在当幼虫和蛹在低温、短日照条件下饲养时，翅膀发育成暗红色；而当幼虫和蛹在温暖、长日照条件下饲养时，翅膀发育成淡褐色。蜕皮激素浓度研究表明：低温导致在更早的时间出现蜕皮激素浓度升高。蜕皮激素实验，即在低温条件下提前注射蜕皮激素时，翅膀发育成淡褐色，表明翅膀颜色是对蜕皮激素的反应。

因此，通过两个实验证明，蜕皮激素对这两个物种的环境条件和翅膀特征可塑性之间起着重要的中介作用。

2、性状特异性的表型可塑性可以独立进化

研究表明：蝴蝶的大特征表现出发育可塑性，如翅膀特征、幼虫和蛹的颜色、迁徙和生活史特征。最近一个研究通过比较博物馆在不同季节收集Junoniini（鳞翅目：蛱蝶科）标本，从宏观进化的角度直接解决了这个问题。在整个群落不同雨季和旱季收集的物种标本，在眼斑的大小上具有非常高的可塑性，但是这种可塑性因种而异。一些物种的翅型在季节之间也表现出强烈的可塑性反应，但是和眼点大小的可塑性没有关联。这说明了这些特征（翅型和眼斑大小）的季节反应性是独立进化的。

另一个研究通过对比不同地区的物种，从更广泛的环境条件下分析蝴蝶的季节性反应。研究者将发育中的幼虫暴露在四种不同的环境条件中，并测量其生活史特征——体重、增长率和发育时间；还有其翅型因素——翅膀面积、眼斑大小、背侧和腹侧表面的颜色条纹和宽度。大多数环境性状对环境有显著的反应，但是不同物种之间的反应的形态和差异性很大。大多数性状对他们发育条件的反应相关联，与在B. anynana蜕皮激素处理结果是一致的。这表明蜕皮激素浓度是蛱蝶表型可塑性的潜在调节器。但是也有些关联性状在不同的物种中没有明显改变。这说明，这些性状对季节条件和蜕皮激素信号的反应以独立地进化。

3、诱因检测和激素反应是高度保守的

最近一项研究对比了13种具有代表性的蝴蝶，对腹侧眼斑大小的可塑性对蜕皮激素反应的进化进行了探讨。在蛱蝶科昆虫中，幼虫对蜕皮激素浓度具有一种保守的季节性反应机制，蛹前的蜕皮激素浓度会对温度变化作出反应。在13种物种中，有八种的腹侧眼斑大小具有可塑性。而且在大多数眼斑发育过程中，都有蜕皮激素受体（EcR）的表达。眼斑中心的EcR表达水平和时间不同，这与这些眼斑的可塑性反应的变化相关联。而且，只有EcR表达的增加，不会导致蜕皮激素反应性的可塑性；但是，如果存在蜕皮激素反应性，EcR表达的调节可导致可塑性的变化。巧合地是，蜕皮激素的反应可塑性与其他蝴蝶不同的反应相符合。说明一个高度保守的性状，能独立获得对季节性蜕皮激素信号的反应。

4、反应方式可以迅速的进化

虽然蜕皮激素对可塑性反应的机制还不明确，但是最新的一项研究表明，蜕皮激素反应性的降低可能归因于下游效应基因的顺式调节变化。蛱蝶物种J. coenia显示翅膀颜色具有强烈的季节可塑性，而且在不同的个体之间具有多样化的反应方式。研究发现，秋季的红翅膀颜色的遗传同化与三个差异表达基因附近的序列变异有关：cortex, trehalase, 和 herfst。这些基因的靶向敲除导致红色丢失，从而证明这些基因是产生季节性色素沉积所必需的。这些基因似乎独立于内分泌信号。其中下游颜色模式基因的不同顺式调节等位基因，对蛹后期蜕皮激素的反应不同。对这些不同等位基因的选择，可以导致颜色模式反应方式的进化。

5、已知蜕皮激素会影响表型遗传图谱

了解具体性状如何得到或者失去对季节性蜕皮激素信号的响应，要考虑性状在第一步是如何演化的，以及蜕皮激素是如何影响这个过程的。已知具体性状的表达由细胞所决定，反过来又受到染色质表达变化的影响。这决定了细胞中的转录因子何时何地与DNA结合。即使染色质可及性没有改变，也会受组蛋白或转录因子占有率的影响。假设季节性可塑性，是由染色质调控响应环境条件的变化来调节的，但是仍需要更多的功能性研究来支持。

最近一系列的研究表明，蜕皮激素是染色质结构的一个重要调节因子。有研究表明：蜕皮激素诱导的转录因子E93是果蝇发育过程中，染色质可及性的主要调控因子。其他研究表明，蜕皮激素受体（EcR）直接调控一些与翅膀变态有关的基因。

研究结果有三条主要的证据，共同表明蜕皮激素如何调节细胞表达季节性可塑性的潜在机制：（1）蜕皮激素浓度的环境调节是性状可塑性的基础；（2）蜕皮激素是染色质图谱变化的主要调节因子；（3）染色质调节决定细胞命运（cell fate）。需要更多的证据，来说明蜕皮激素是如何通过改变染色质图谱，以响应环境条件来调节季节可塑性的

6、表型可塑性可以通过改变染色质对蜕皮激素信号的反应来进化

蜕皮激素被认为是环境条件和可塑性性状的调控因子，而且在发育过程中也被认为是染色质图谱一个重要的决定因素。蝴蝶翅膀形态得到或者失去蜕皮激素反应的可能机制是：通过改变个体形状决定基因对蜕皮激素信号的反应；通过对染色质可行性的改变，或者改变转录因子的表达占有率。并根据此建立一个模型。

第一个机制是，需要验证蜕皮激素的得到或者失去，是否是由于蜕皮激素结合位点的得到或失去而引起染色质重组。通过对比相关性强的物种的不同可塑性在不同环境中的不同染色质图谱来验证。用蜕皮激素处理和随后的ATAC-seq显示这些位点是否确实对蜕皮激素有反应，可变的可及性位点CRISPR/Cas9基因敲除能够验证这些调控因子确实对性状的因果有关。

蜕皮激素反应性进化的第二个机制是，通过改变现有的染色质可及性位点中转录因子的占有率。通过获得或失去性状特异性调控元件中蜕皮激素诱导的转录因子的占有率，可以影响出反应性的获得或丧失，但是并没有改变可及性的位点。

五、总结

最新的研究进展显示，蝴蝶的表型可塑性是很广泛的，而且能够影响很多性状。对翅膀颜色、翅膀性状和眼斑大小的调查显示，这些性状的可塑性反应能够快速而且独立的进化。环境引起的蜕皮激素浓度变化，是颜色模式可塑性的关键决定因素。因为在果蝇上的研究显示了蜕皮激素对染色质图谱重塑的作用，所以我们假设翅型的可塑性可能是通过蜕皮激素介导的染色质图谱重塑来调节。文章推测，翅型可塑性的进化可能与这一过程中的基因特异性变化有关。

本文的重要观点：

1、蝴蝶翅型的表观可塑性是非常普遍的，而且不同的翅型图案性状的可塑性反应是独立进化的；

2、蝴蝶的季节可塑性是由蜕皮激素所介导的；

3、在一些昆虫物种中（在文中指果蝇），蜕皮激素信号受染色质图谱影响；

4、蜕皮激素能够介导染色质重组来影响蝴蝶的季节可塑性能力；

5、文中采用CRISPR/CaS9基因敲除技术来验证与翅型颜色相关的基因。

读书报告收获：

1、这篇论文更偏向于总结和论述性的文章，通过总结和分析最新的研究成果，对蝴蝶的季节可塑性做了介绍；从表型可变的现象观察，再到内分泌的激素含量在不同时期的变化，最后从基因和染色质图谱角度探究造成季节可塑性的原因。从表象到本质来分析，进而说明了造成蝴蝶季节可塑性的原因；

2、文章大量引证与蝴蝶表型可塑性相关的实验，如影响两种不同蝴蝶（Bicyclus anynana 和 Junonia coenia,）蜕皮激素的浓度对表型可塑性的实验；博物馆不同样品表型对比分析的实验；对某一性状对蜕皮激素的保守性分析实验；通过基因敲除验证产生季节性色素沉积相关基因的实验。

3、作者还通过蜕皮激素与染色质图谱的相关关系的分析，说明通过改变染色质图谱对蜕皮激素信号的反应情况，进而影响表型的季节可塑性；另一方面蜕皮激素又反过来影响染色质图谱和转录因子，从而达到影响季节可塑性的目的。

4、作者还建立了几个行之有效的模型：一是在不同环境条件下，两种不同的蝴蝶（Bicyclus anynana 和 Junonia coenia,）蜕皮激素浓度的变化以及对表型的影响，对不同环境条件下用蜕皮激素处理得到的表型特征；二是建立不同地区不同物种的相似性状的对比，从而得到在受体和染色质水平蜕皮激素可能的作用机制；三是利用基因敲除方法，确定与表型可塑性相关的基因和反应程度；四是利用果蝇这种模式生物进行相关的结论分析，从而能在不同的实验室对实验结果进行重复。

本文存在的问题：

1、本文并非通过自己的大量实验得到结论，而是通过了解最近的发表的实验结果得到相关结论，从这个方面来看，实验中可能存在的问题不能同时实验论证排除；

2、在第一个实验模型中，只有两种蝴蝶，样品量可能偏少，应该再增加几种不同的鳞翅目样品，这样有更多的样品量，更加有效的去验证相关结论；

3、在用蜕皮激素影响表型遗传图谱的分析中，利用的是果蝇来进行相关论证分析，但是没有利用蝴蝶进行重复实验，不同的物种之间可能存在一定的差异，所以应该增加在相同条件下蝴蝶的染色图谱以及蜕皮激素的分析。