PNAS：飞蛾基因组解析有毒生物碱免疫力的特定基因

在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的一项新研究中，研究人员对飞蛾的基因组进行了测序，他们用这些基因组来确定可能赋予有毒生物碱免疫力的特定基因。

　　

吡咯里西啶类生物碱既苦又毒，而且很难发音。它们由几种不同类型的植物产生，是导致牛意外死亡的主要原因之一。

含有这些生物碱的植物已经明确表示它们不想被食用，但这并没有阻止贝拉蛾(Utetheisa ornatrix)。这些白天飞行的飞蛾只吃含有生物碱的响尾草的叶子和种子。然后它们用这种毒素来保护它们的卵，并在生命后期阻止捕食者。它们甚至用它来制造吸引配偶的信息素。

至于飞蛾和相关物种是如何进化出安全食用吡咯里西啶类生物碱的能力的，目前还不得而知。

在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的一项新研究中，研究人员对飞蛾的基因组进行了测序，他们用这些基因组来确定可能赋予这些毒素免疫力的特定基因。他们还对150个博物馆标本的基因组进行了测序，其中一些有一个多世纪的历史，以确定贝拉蛾和它们的近亲起源于哪里。最后，他们梳理了遗传数据，寻找线索，以帮助解释飞蛾复杂的翅膀图案是如何随着时间的推移而进化的——这是第一次利用博物馆收藏的干燥标本对飞蛾或蝴蝶进行研究。

佛罗里达自然历史博物馆鳞翅目和生物多样性麦圭尔中心的收藏协调员Andrei Sourakov说:“我们已经成功地表明，你可以使用博物馆标本来回答通常需要复杂的实验室技术的遗传问题。”“这为未来这类研究打开了一扇窗。”

苏拉科夫已经研究贝拉蛾15年了，他说，到目前为止，对这个物种的基因组进行测序是他研究的下一步。在那段时间里，他获得的许多见解来自于他与本科生和高中生的合作，他帮助他们进行简短的实验，为科学展览分析数据，并在同行评议的论文中解释结果。

在一个这样的项目中，一个学生着手确定贝拉蛾成虫的平均寿命，无意中偶然发现了蛾界的玛士撒拉。苏拉科夫说:“让我们非常惊讶的是，它们可以活50天，是普通蛾子的4到5倍。”

对大多数蛾类来说，寿命并不是一个至关重要的特征。许多只繁殖一次，然后不久就死于衰老或被捕食。但飞蛾并不受后者的限制，这使得延长寿命的基因更有可能是有益的，并传递给下一代。

“有化学防御的东西寿命更长是有道理的，因为即使它们被抓住，捕食者通常也会放手，而飞蛾可以继续飞来飞去。”

贝拉蛾生活在北美东部、中美洲和加勒比海的大部分地区，通常在白天活动。比起利用黑暗作为躲避捕食者的裹尸布，贝拉蛾更注重被发现。它们的翅膀上覆盖着闪闪发光的粉红色、珍珠色、玛瑙色和硫黄色鳞片，鸟类和食肉昆虫从远处就能很容易地发现。任何不幸捕捉到蛾子的捕食者都会迅速纠正自己的错误。

苏拉科夫说:“香蕉蜘蛛会把它们从网上剪下来。”他还说，狼蛛和鸟类会想方设法避开它们。“当被抓住时，它们会产生一种味道难闻的泡沫液体，几乎完全由生物碱组成。”

当雌性准备交配时，它们会释放出一股雾化的生物碱，这些生物碱来自于它们作为毛虫所吃的植物。雄性会被这种气味所吸引，它们会跟着气味找到源头。在那里，它们执行一个简短但精心制作的仪式，它们用两个蓬松的、可伸缩的结构轻轻地触摸雌性的头部，这些结构与蒲公英非常相似。这些结构中的每根细丝都带有吡咯里西啶生物碱。

如果雌性确定雄性有足够数量和质量的生物碱储备，它们就会交配。完成交配后，雄性会留下一份离别礼物，叫做精子体，里面含有精子，是的，还有更多的生物碱。雌性会用它和自己储备的生物碱来给卵子注入毒素。这种双亲本保护卵在昆虫中是罕见的。事实上，1989年首次在成年桦尺蠖中观察到这种现象时，它是唯一已知的雄性桦尺蠖或蝴蝶在其后代身上投入任何化学资源的例子。

通过使用一种特殊的酶来氧化吡咯里西啶生物碱分子，使其无害，贝拉蛾能够避免吡咯里西啶生物碱的不良影响。然而，如果捕食者吃掉了一只飞蛾，这个过程就会逆转，生物碱就会恢复效力。

吡咯里西啶类生物碱最初可能是作为植物的一种防御机制进化而来的，然后变成了一种商品。苏拉科夫和他的同事们想知道飞蛾是如何获得这种解毒酶的，以及它们是如何在植物和飞蛾之间长达数百万年的军备竞赛中保持这种解毒酶的。

研究人员发现，飞蛾的独特解毒酶基因不是一个，而是两个拷贝。它们可能通过基因复制的过程获得了第二种特征，而其他物种，包括许多植物，则进化出了新的特征。

他们还发现了一个部分参与抗氧化剂产生和防御的基因的两个副本。Sourakov怀疑这些基因可能与飞蛾解毒生物碱的能力和它们非凡的寿命有关。

“对生物系统的某些类型的压力会导致更长的寿命。这可能是因为飞蛾与生物碱的相互作用不仅是它们长寿的原因，也是其背后的机制之一。”