帝王蝶心愛的黑色和橙色翅膀不僅美麗。他們警告潛在的掠食者，這種昆蟲有毒食用，這是從以有毒馬利筋植物為食的蝴蝶身上獲得的一種特征?，F(xiàn)在，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這種標(biāo)志性昆蟲如何對(duì)其有毒食物免疫，并且通過對(duì)果蠅進(jìn)行相同的改變，展示了三個(gè)遺傳突變是關(guān)鍵的。

“他們是令人印象深刻的研究成果，”伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家馬庫斯·科恩福斯特(Marcus Kronforst)說，他沒有參與任何一個(gè)小組。他指出，這些研究是罕見的例子，研究人員通過將突變體轉(zhuǎn)入另一個(gè)物種來驗(yàn)證其特征。

乳草植物產(chǎn)生稱為強(qiáng)心苷的化合物，該化合物破壞控制離子適當(dāng)流入和流出細(xì)胞的分子泵。然而，帝王蝶和該植物的其他消費(fèi)者已經(jīng)進(jìn)化了這些泵的版本，使這些動(dòng)物不受影響。為了發(fā)現(xiàn)這些食用乳草的人有什么共同的變化，加州大學(xué)伯克利分校的進(jìn)化生物學(xué)家諾亞·懷特曼(Noah Whiteman)和他的同事們最近將這種分子泵的基因與包括君主在內(nèi)的21種昆蟲相匹配，這些昆蟲可以忍受這種植物的變化度。

他們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)突變，改變了蛋白泵中的三個(gè)氨基酸。通過查看這些變化在整個(gè)昆蟲科樹上的分布，懷特曼及其同事可以預(yù)測(cè)出哪些變化最先發(fā)生，并且事實(shí)證明它們的進(jìn)化順序很重要。然后，他們嘗試通過使用基因編輯工具CRISPR對(duì)果蠅的這些變化進(jìn)行組合來重播進(jìn)化過程。

預(yù)計(jì)帝王祖先會(huì)發(fā)生一個(gè)單一突變，使果蠅對(duì)乳草中的毒素只有一點(diǎn)抵抗力。但是，當(dāng)這種變化與第二次變化相結(jié)合時(shí)，懷特曼及其同事今天在《自然》雜志上報(bào)告說，果蠅得到了更好的保護(hù)。當(dāng)他們添加第三個(gè)突變時(shí)，果蠅在馬利筋和君主身上都繁茂。蒼蠅甚至將一些毒素保留在體內(nèi)，就像君主所做的那樣使自己對(duì)食肉動(dòng)物有毒。Kronforst說：“令人驚嘆的是，蝴蝶在這些刺激性化學(xué)物質(zhì)上存活的驚人能力僅歸結(jié)為蛋白質(zhì)中的這三個(gè)氨基酸。”

這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了哥倫比亞大學(xué)的進(jìn)化遺傳學(xué)家彼得·安道爾法托(Peter Andolfatto)和他的同事在8月27日發(fā)表在eLife上的報(bào)道，當(dāng)時(shí)他們以不同的編輯方法設(shè)計(jì)了果蠅，有時(shí)在兩個(gè)泵浦基因的兩個(gè)副本中進(jìn)行突變，有時(shí)只在一個(gè)副本中進(jìn)行突變。Andolfatto指出，引入突變的順序也很關(guān)鍵。在一個(gè)序列中，這些突變產(chǎn)生了健康，耐乳草的昆蟲。他和他的同事報(bào)告說，在其他情況下，果蠅有神經(jīng)系統(tǒng)缺陷。

他的團(tuán)隊(duì)還研究了當(dāng)果蠅只有一個(gè)，兩個(gè)或三個(gè)突變的離子泵基因的單個(gè)拷貝時(shí)發(fā)生的情況。研究小組發(fā)現(xiàn)，只有一個(gè)帶有初始突變的拷貝會(huì)賦予糖苷抗藥性，這一特性可能使這種改變能夠持續(xù)足夠長的時(shí)間，以便發(fā)生其他更有益的突變。

“希望[這項(xiàng)工作]能夠提醒人們發(fā)生突變的基因組環(huán)境非常重要，”哈佛大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家霍皮·霍克斯特拉(Hopi Hoekstra)說，他沒有參與這項(xiàng)工作。總而言之，“這只是一個(gè)美麗而完整的故事，”她補(bǔ)充道。