詩人楊萬裡眼中的蝴蝶，是“飛入菜花無處尋”；畫家梵高眼中的蝴蝶，是一副後印象派風景畫。
▲圖 | 梵高畫作《兩隻白蝴蝶》（來源：資料圖）
而在科學家眼裡，蝴蝶則是數十萬年演化所留下痕迹的載體。近日，北京大學生命科學學院&北大-清華生命科學聯合中心張蔚研究員，揭示了枯葉蛱蝶的演化史、以及相關遺傳基礎。
這給生物多樣性的研究提供了新理論和新範式，為了解地理變化和自然驅動的演化帶來了全新視角，拓展了人類的知識邊界。近日，相關論文以封面文章的形式發表在 Cell上。
▲圖 | 張蔚（來源：張蔚）
談及初心，張蔚表示：“想要研究枯葉蛱蝶，也是我回到中國建立獨立實驗室和開展研究的重要原因之一。”
此次研究裡，她建立了一個聚焦枯葉蛱蝶的新型研究體系，可用于探索和研究關于生物演化的問題，包括物種多樣性、遺傳多樣性、适應性演化等。
（來源：張蔚實驗室）
枯葉蛱蝶是一類著名的拟葉僞裝的生物，很早之前就被人們認識和發現。
例如，與達爾文共同提出自然選擇理論的英國演化生物學先驅阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace），就評價它們是“蝴蝶中最美妙和毫無疑問的保護性僞裝”。
如果把蝶翅分為背腹兩面，這類蝴蝶的翅背面具有對比明顯的斑塊花紋。張蔚推測這可能是為了便于求偶，也可能是用于警示天敵，但還有待于進一步研究。
而根據它們的習性，多數時候其蝶翅呈現閉合狀态，翅腹面具備拟葉形的表型。其上的花紋結構非常精細，具備葉柄、中脈、次脈、甚至是黴斑，這些表型可能受到了自然選擇的驅動。
需要注意的是，精妙的花紋結構并不是蝴蝶“主動”形成的，而是被施加選擇壓力後的被動演化結局。是以，采用該團隊的體系，可分别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合的研究視角，厘清了枯葉蛱蝶屬物種的演化曆史，這能給研究它們的适應性演化、以及物種關系打下基礎。此外，張蔚還研究了蝶翅腹面的葉形拟态的遺傳機制。
期間，她和團隊解析了枯葉蛱蝶屬的物種多樣性、以及遺傳多樣性的起源演化。結果發現，喜馬拉雅東部這一山地的生物多樣性熱點地區，是枯葉蛱蝶屬物種的分化中心。
而葉形拟态的多态性，受到單基因 cortex 的控制。它是一個工具盒基因，在蝴蝶翅的發育過程中起着重要作用。
張蔚還發現在枯葉蛱蝶屬裡，這種葉形多态性經受過長期的平衡選擇。同時，cortex 基因也是自然選擇施加壓力的一個熱點，在以往多個著名的演化生物學研究體系發揮過作用。
例如，其參與控制了桦尺蠖的工業黑化、以及袖蝶的穆氏拟态的警戒色。而本次研究中，張蔚發現 cortex 基因也能控制枯葉蛱蝶的葉形拟态多态性。
期間，她和團隊一共發現 cortex 基因的 5 種等位基因，并發現它們至少參與産生 10 種不同的拟葉表型。由于長期的平衡選擇，這些拟葉的表型被維持在枯葉蛱蝶屬内的多個物種中。
值得注意的是，這是一個罕見的、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準，同時這可能會帶來遺傳負荷，進而給種群造成壓力。
但對于枯葉蛱蝶來說，具有豐富的拟态表型可謂利大于弊，也能讓其“僞裝”得更自然。試想一下，如果葉形表型千篇一律，很容易拉高僞裝的“穿幫”風險。
總體而言，該研究揭示了枯葉蛱蝶屬的生物多樣性起源與演化、以及山地生物多樣性熱點地區在它們演化中扮演的角色。課題組還提出了如下創新理論：即地理變化和自然選擇共同驅動着複雜的演化。同時，該研究也揭示了發育保守性以及可演化性的耦合機制。
近日，相關論文以《枯葉蛱蝶的演化與分化》（The evolution and diversification of oakleaf butterflies）為題，發表在 Cell 上。北京大學前沿交叉學科研究院博士生王姝婷、北京大學生命科學學院博士生滕德群、中科院昆明動物研究所李學燕副研究員為共同第一作者，張蔚擔任通訊作者[1]。
（來源：Cell）
審稿人表示，研究人員建立了一個以枯葉蛱蝶為模式的比較基因組學研究模型，該模型很有魅力、且令人信服，充分展示了自然選擇塑造精緻的僞裝細節的力量。并稱贊該團隊部署了一個令人印象深刻的基因組工具庫來探索演化曆史。
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，講述了一個引人注目的故事，涉及到頻率依賴的負選擇、以及不同表型的演化和維持。”
在論文發表的當天，張蔚收到一位英國同行的郵件（該同行曾上司過一項解析桦尺蠖工業黑化遺傳機制的研究）。他在郵件中說道：“感謝你的這一引人入勝的工作。一幅關于控制鱗翅目昆蟲翅型多态性的幾個主要遺傳開關，在漫長和短暫的時間跨度中被反複招募的畫面正在逐漸出現。”
一個靈光乍現的想法成為現實
據介紹，該研究的萌芽可回溯到 2015 年。當時，張蔚在芝加哥大學生态與演化系做博後研究，其導師馬庫斯·克朗福斯特（Marcus Kronforst）教授是蝴蝶領域的專家。
當時，張蔚主要研究玉帶鳳蝶、及其相關的近緣鳳蝶物種，但更多聚焦在南美袖蝶屬。她對蝴蝶研究很感興趣，不僅會閱讀最新文獻，也經常閱讀經典著作。
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性僞裝能力的動物及其特征。我讀到了他對枯葉蝶的一段描述：‘但在我所見過的蝴蝶中，最奇妙、最無可置疑的保護性相似案例是常見的枯葉蛱蝶和與它同屬的爪哇枯葉蛱蝶”。
華萊士花費很大篇幅，來記錄枯葉蛱蝶屬物種留給他的深刻印象。當張蔚看到“從來沒有人看到它們栖息在花朵或綠葉上，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蛱蝶中華亞種的産地之一——四川樂山，試圖尋找過它們的蹤迹，但卻并未找到。
後來，她終于找到枯葉蛱蝶的标本。觀察之後，她确信自己找到了很好的研究體系，即使用枯葉蛱蝶的翅的兩面，來分别研究不同選擇壓力驅動下的表型演化。
“我把這個想法分享給導師 Marcus、以及和我同系的著名華人演化生物學家龍漫遠教授，他們都表示支援。我迫切地想要研究枯葉蛱蝶，但前提是得飼養和采集。”張蔚說。
由于蝴蝶是變态發育的昆蟲，幼蟲期的枯葉蛱蝶的食物，是特定的爵床科寄主植物。它們不像是張蔚當時研究的玉帶鳳蝶，雖然這種蝴蝶栖息地也是在亞洲，但是它的寄主柑橘類植物，卻很容易在北美擷取。而要在北美地區飼養和研究枯葉蛱蝶，并擷取它們的寄主植物，可謂非常困難。
事實上，一直以來針對非模式生物開展研究，都面臨着諸多困難。由于很少有科研團隊研究它，一些經驗和技術隻能靠張蔚自己摸索。早期，到哪裡采集枯葉蛱蝶和寄主植物？如何飼養？如何開展實驗操作？都是她和團隊經常遇到的難題。
盡管如此，枯葉蛱蝶最讓張蔚着迷的地方，莫過于通過研究它們、來試圖回答科學問題的過程。
她說：“幸運的是，有很多志同道合的合作者加入了我們，讓枯葉蛱蝶作為模式動物成為可能。團隊裡，有具備幾十年豐富野外蝴蝶調查經驗的老師，有在蝴蝶中開展遺傳發育研究的老師，也有在野外和實驗室堅持工作數年如一日的同學們，大家毫無保留地交流，讓源于 8 年前的一個靈光乍現的想法成為現實。”
（來源：Cell）
無限風光在險峰
研究期間，有三個讓張蔚印象深刻的故事。
其一是枯葉蛱蝶屬物種的故事。
枯葉蛱蝶屬裡存在多個物種，有些物種裡還存在亞種水準的分化。在樣本采集初期，張蔚并未完全掌握這些情況。她甚至發現，同一個物種竟然具有不同的異名。究其原因，這是不同團隊在不同地區采集到同一物種後，分别進行研究和命名之後，所遺留的曆史問題。
對于該課題組的成員們來說，他們的知識體系并不完全相同，一開始大家用不同的名字稱呼同一物種，交流讨論一度面臨困難。随着對蝴蝶的深入了解，并在獲得更全面的遺傳資訊後。他們才意識到該問題的存在，并将其予以糾正。
其二是野外工作的故事。
在采集枯葉蛱蝶屬物種的樣本時，課題組去過多個采集地點。在大部分采集點，都會采集到單個枯葉蛱蝶屬的物種。而這也是枯葉蛱蝶屬的物種留給他們的第一印象。
當他們在西藏自治區墨脫縣進行采集時，遇見一則“例外”。他們采集了多個枯葉蛱蝶屬物種的樣本，當時以為是和其它地區的采集樣本弄混了。後來，通過基因組遺傳結構分析，才弄清楚它們的種群結構，進而确認它們是來自墨脫的樣品。
“借此我們提出假設，即墨脫縣所在的喜馬拉雅東部地區，可能是枯葉蛱蝶屬物種的分化中心、亦或者是它們在冰期的‘避難所’。而我們後來的研究證據，支援了前一個假設。這說明喜馬拉雅東部的山地生物多樣性熱點地區，在生物多樣性中發揮了重要作用。”張蔚表示。
其三是在實驗室發現葉形拟态多态性的故事。
研究非模式生物，必須充分地了解它們。不僅是到野外真實生境中采集，還要對其開展實驗操作。
其間，偶然和必然共存，不僅得有耐心，還得保持觀察和發現。課題組發現，北京的地上環境，并不利于蝴蝶的生長繁殖，而地下二層則能保持相對穩定的溫度和濕度，更接近于蝴蝶的天然生境。
由于場地限制，該團隊在實驗樓的地下二層，改建出一個蝴蝶飼養室。他們頂着飼養室的悶熱難耐，在完全的人工環境下飼養出了枯葉蛱蝶的中華亞種，借此發現了多種葉形的表型。
接着，又選出具有特定表型的個體，以便進行家系實驗。後來，他們發現了枯葉蛱蝶子代中的性狀分離。
說到這裡張蔚表示：“要養大這些個體絕非易事，枯葉蛱蝶的食量巨大，飼養的單隻幼蟲，可能就要吃掉幾十株寄主植物的幼苗。是以，我們還得飼養大量的寄主植物，以便給枯葉蛱蝶作為食物。”
接下來，他們逐漸确認了如下結論：即多态表型均由單個孟德爾基因座控制。借此其推斷認為：有 5 種等位基因在控制着這 10 種表型。
再後來，通過全基因組的關聯分析、以及個體基因組的組裝，課題組将單基因和它的 5 種單倍型基因的存在，全部予以确認。
而後，要進行基因編輯的功能鑒定。在發育過程中，這一單基因承擔着重要作用，“出了名”地難以被敲除。是以，即便完成單個的實驗，也得耗時幾個月。
可以說，對非模式生物開展實驗研究，要想獲得有意思的發現，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研究中共勉，這彷佛是一個攀登的過程，無限風光在險峰，充滿了挑戰和驚喜。”張蔚說。
盡管是基礎研究，但是張蔚還是列舉了一個直接應用案例。她說：“我在博後階段參與的關于玉帶鳳蝶的研究論文于 2014 年發表，後來陸續被收錄在兩本經典教科書裡[2]。我希望這些關于蝴蝶的研究，可以作為生動形象的載體，幫助學生們了解相關知識體系的架構，如果能激發他們的研究興趣就更好了。”
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問題。如果将枯葉蛱蝶作為一個研究體系，該研究隻是一個開始，未來還需接受時間的檢驗，以及更多後續研究的互相支撐。
此外，組成拟态表型的機制也大有玄機，不僅有已被解析到的色素色的可遺傳多态性，結構色和表觀因素也會對葉形表型産生影響，而這些都隻局限于枯葉蛱蝶的翅腹面。
目前，枯葉蛱蝶翅背面的花紋起源演化、翅背腹面不對稱的調控機制等，都是未知因素。而每一個科學問題都可能産生諸多分支，這也充分展現了枯葉蛱蝶作為研究體系的魅力。
是以，關于葉形拟态多态性的研究遠未結束。這些多樣的拟葉表型，在不同枯葉蛱蝶屬物種的分布頻率各不相同，很可能是由于不同栖息地的植被特征導緻的。關于此，張蔚目前仍在深入研究。
參考資料：
1.Wang, S., Teng, D., Li, X., Yang, P., Da, W., Zhang, Y., ... & Zhang, W. (2022). The evolution and diversification of oakleaf butterflies. Cell.
2.An Introduction to Molecular Evolution and Phylogenetics, Second Edition和Genetics: From Genes to Genomes (Hartwell), Sixth Edition