教育新闻网帝王蝶心爱的黑色和橙色翅膀不仅美丽。他们警告潜在的掠食者，这种昆虫有毒食用，这是从以有毒马利筋植物为食的蝴蝶身上获得的一种特征。现在，两个研究团队已经独立发现了这种标志性昆虫如何对其有毒食物免疫，并且通过对果蝇进行相同的改变，展示了三个遗传突变是关键的。
“他们是令人印象深刻的研究成果，”伊利诺伊州芝加哥大学的进化生物学家马库斯·科恩福斯特(Marcus Kronforst)说，他没有参与任何一个小组。他指出，这些研究是罕见的例子，研究人员通过将突变体转入另一个物种来验证其特征。
乳草植物产生称为强心苷的化合物，该化合物破坏控制离子适当流入和流出细胞的分子泵。然而，帝王蝶和该植物的其他消费者已经进化了这些泵的版本，使这些动物不受影响。为了发现这些食用乳草的人有什么共同的变化，加州大学伯克利分校的进化生物学家诺亚·怀特曼(Noah Whiteman)和他的同事们最近将这种分子泵的基因与包括君主在内的21种昆虫相匹配，这些昆虫可以忍受这种植物的变化度。
他们发现了三个突变，改变了蛋白泵中的三个氨基酸。通过查看这些变化在整个昆虫科树上的分布，怀特曼及其同事可以预测出哪些变化最先发生，并且事实证明它们的进化顺序很重要。然后，他们尝试通过使用基因编辑工具CRISPR对果蝇的这些变化进行组合来重播进化过程。
预计帝王祖先会发生一个单一突变，使果蝇对乳草中的毒素只有一点抵抗力。但是，当这种变化与第二次变化相结合时，怀特曼及其同事今天在《自然》杂志上报告说，果蝇得到了更好的保护。当他们添加第三个突变时，果蝇在马利筋和君主身上都繁茂。苍蝇甚至将一些毒素保留在体内，就像君主所做的那样使自己对食肉动物有毒。Kronforst说：“令人惊叹的是，蝴蝶在这些刺激性化学物质上存活的惊人能力仅归结为蛋白质中的这三个氨基酸。”
这些发现证实了哥伦比亚大学的进化遗传学家彼得·安道尔法托(Peter Andolfatto)和他的同事在8月27日发表在eLife上的报道，当时他们以不同的编辑方法设计了果蝇，有时在两个泵浦基因的两个副本中进行突变，有时只在一个副本中进行突变。Andolfatto指出，引入突变的顺序也很关键。在一个序列中，这些突变产生了健康，耐乳草的昆虫。他和他的同事报告说，在其他情况下，果蝇有神经系统缺陷。
他的团队还研究了当果蝇只有一个，两个或三个突变的离子泵基因的单个拷贝时发生的情况。研究小组发现，只有一个带有初始突变的拷贝会赋予糖苷抗药性，这一特性可能使这种改变能够持续足够长的时间，以便发生其他更有益的突变。
“希望[这项工作]能够提醒人们发生突变的基因组环境非常重要，”哈佛大学的进化生物学家霍皮·霍克斯特拉(Hopi Hoekstra)说，他没有参与这项工作。总而言之，“这只是一个美丽而完整的故事，”她补充道。
