雄性、橙色雌性和Alba雌性豆粉蝶（从左至右）。
漫步花园中时，你是否曾好奇为什么蝴蝶会呈现出如此美丽多样的色彩？近日，来自瑞典斯德哥尔摩大学的进化生物学家们通过分析Colias crocea中的橙色和白色个体，发现了橙白转换开关的位置和关键成分，相关论文发表在《自然·通讯》杂志上。
在大多数豆粉蝶中，所有雄蝶和大多数雌蝶都是橙色或黄色，但也有一些雌蝶是白色的。这种被称为Alba的白色雌蝶在每一代中都很常见，占雌性的5%到30%。但由于橙色/黄色的翅膀是识别配偶的重要信号，科学家们推测Alba雌蝶应该处于劣势。近一个世纪以来，科学家们一直探究就蝴蝶种群中产生并维持Alba雌蝶数量的原因。
之前在豆粉蝶的研究中发现，橙色雌蝶会将能量资源投入到合成色素上，而Alba雌蝶则会将这些资源从色素生产中重新分配到其他发育过程中。据推测，由于这种重新分配，与橙色雌蝶相比，Alba雌蝶拥有更高的脂肪含量和繁殖力。然而，雄性更喜欢与橙色雌蝶交配，这应该是Alba雌蝶为此付出的代价。尽管之前的研究工作发现了很多野生环境中保持颜色多态性的生物和非生物因素，但这其中的基因基础仍然是未知的。
为了了解Alba雌蝶产生的机制，斯德哥尔摩大学的科学家们使用了不同的研究方法。首先，为了确定引起白化的基因区域，研究人员对Colias crocea进行了基因组测序，找到了与颜色差异相关的单个基因区域，并在该区域中发现了Alba雌蝶特有的转座因子插入，插入位点在一个名为BarH -1的基因附近， 之前的研究发现， BarH-1在果蝇眼睛色素颗粒的发育中起着重要作用。而且与橙色雌蝶相比，Alba雌蝶翅膀上的色素颗粒要少得多。随后，研究人员使用抗体染色来检测BarH-1是否存在于发育中的翅膀中。结果发现，在蛹发育的早期，BarH-1蛋白只存在于Alba雌蝶翅膀鳞片的细胞中，这表明，BarH-1可能通过抑制色素颗粒的形成而在橙白的颜色转换中发挥作用。
为了验证这一功能预测，研究人员使用CRISPR/Cas9基因编辑产生了敲除BarH-1的嵌合体。这些嵌合雌蝶拥有白色和橙色的嵌合翅膀。通过进一步研究发现，橙色鳞片比白色鳞片拥有更多的色素颗粒，与正常橙色蝴蝶的翅膀鳞片相似。这些发现证明了翅鳞构建细胞中BarH-1会通过抑制色素颗粒的形成产生白色，但这一功能在雄性或橙色雌性中却不会发生。
先前的研究表明，同样的机制导致了所有蝴蝶物种的白化。为了验证这一预测，研究人员检查了北美物种Colias eurytheme的白化雌性是否也含有更少的色素颗粒，结果发现确实如此，这表明BarH-1抑制色素颗粒的形成并不局限于云黄蝴蝶。额外的研究表明，Alba雌蝶的腹部脂肪储备比橙色雌蝶多，这与之前关于橙白蝴蝶的研究是一致的。这些结果提示了一个有趣的可能性，即所有豆粉蝶的白化病因可能是相同的，但这需要在更多的物种中进行进一步的研究。
基于这些发现，研究团队认为，豆粉蝶通过一个简单的Y型再分配模型，减少色素颗粒的形成，导致色素合成减少，使得更多的资源可以自由地用于其他发育过程，从而保证了每一代中Alba雌蝶的比例。然而，在其他组织或发育时期，与Alba相关的生理成分也可能受到BarH-1或围绕着转座因子插入位点的其他基因的影响。另外，插入点附近的其他突变也可能导致这些特征。研究人员接下来将测试这些备择假设，并确定Alba表型在豆粉蝶属中是否具有单一的遗传基础。
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编译：花花
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源： 《自然·通讯》
期刊编号： 2041-1723
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/su-gih121719.php
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