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    • 40年的谜团乳草属植物制造的毒素在食物网层次上引发了多级趋同进化

      40年的谜团乳草属植物制造的毒素在食物网层次上引发了多级趋同进化插图

      乳草属植物的毒素在食物网中引起了多层进化,在虫子、蠕虫、老鼠和鸟类中引起了同样的基因变异。

      帝王蝶是最早被发现具有这种特殊基因组变异的昆虫之一,这使它们能够以夹竹桃科(Apocynaceae)植物产生的有毒强心苷为食而不死亡。相反,这些毒素被封存在蝴蝶身体的某些部位,变成了威慑捕食者的防御手段。

      黑头鹰(Pheucticus melanocephalus)就是这样一个捕食者,已知它在冬季会迁徙到墨西哥,在那里以帝王斑蝶为食。

      科学家们长期以来一直怀疑这种鸟有什么特质,使它能够吃这种有毒的昆虫而不死,现在,这种动物似乎已经进化出与它的食物(帝王蝶)相同的保护机制。

      当黑头鹰基因组的分析报告在去年发表时,研究人员开始寻找与在帝王蝶身上看到的相同的突变。

      最后,他们在这种捕食者体内的蝴蝶钠泵基因中找到所有三处遗传突变中的两个。

      这些泵基因负责将钠移入和将钾移出人体细胞,但乳草的毒素会阻断这种泵,导致身体内的混乱。

      有心脏的动物,如鸟类和人类,如果摄入大量的毒素,会因心脏衰竭而死亡。

      因此,如果你的主食由乳草类植物组成,泵基因的突变可能是生存的必要条件。

      加利福尼亚大学伯克利分校的进化生物学家诺亚·惠特曼解释说:”它解决了40年前提出的谜团,当时生物学已经相当完善,但我们就是无法深入到可能的最低组织水平,即基因组,以了解黑头鹰是如何做到这一点。令人惊讶的是,它们正在利用遗传密码中相同位置进化出抗性,就像帝王蝶和蚜虫一样。”

      更令人吃惊的是,研究人员能够在食物链的多个层次中找到这些基因组突变。

      例如,以帝王蝶卵为食的寄生蜂Trichogramma pretiosum,在与蝴蝶相同的钠泵基因部分也有两个变异。

      同时,以帝王斑蝶为食的鹿鼠(Peromyscus maniculatus)和生活在乳草植物周围土壤中的线虫Steinernema carpocapsae一样,都有三个突变。

      这些结果共同表明,至少需要在钠泵基因中进行两次变异,以使动物能够捕食帝王蝶,尽管还需要进一步的遗传实验来证实这一假设。

      加州大学河滨分校的进化系统生物学家Simon 'Niels' Groen说:”在所有这些动物的分子水平上发生趋同进化,这很了不起。植物毒素至少在食物链的三个层次上引起了进化变化”。

      所有这四种动物都是远亲,这一事实表明这种捕食者-猎物之争有着深刻的进化根源。换句话说,植物毒素可能已经在食物网的多个层次上引起了多米诺骨牌效应的突变。

      作者不能确定这些是否是食用乳草毒素所需的唯一基因突变,但他们希望通过进一步的基因组研究来回答这个问题。

      例如,黑背黄鹂(Icterus abeillei)每年冬天要吃掉多达一百万只帝王蝶,但它们却倾向于只吃最有毒的部分。另一方面,黄鹂则吃下整只蝴蝶。

      莺鸟的基因组还没有被测序,但可以预见结果将很有趣。

      “我的猜测是,还有其他的寄生虫,以及同样进化出抗性突变的捕食者正在与帝王蝶互动,它们被发现只是时间问题。我们知道这不是进化出对强心剂抗性的唯一方式,但它似乎是最主要的方式。”

      该研究发表在《当代生物学》上。

      广东·东莞
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