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小蝴蝶大学问 下一代DNA测序技术揭示蝴蝶进化史

2014年09月 22日 17:54  |来源: 科技日报
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    最近,美国佛罗里达大学科学家对一些常见蝴蝶和飞蛾的将近3000个基因进行跟踪研究,一直追溯到它们最古老的祖先,并制作出一份涵盖广泛的“鳞翅目树”——这也是首次利用大范围下一代DNA测序技术进行的研究。相关论文在线发表于近日的英国《皇家学会会刊B辑:生物科学》上。

    这次研究揭示出许多令人吃惊的发现,其中一项就是在亲缘关系上,蝴蝶与小飞蛾的关系比与大飞蛾间更加密切。 这完全改变了科学家对蝴蝶进化的理解。研究还发现,曾被划归为飞蛾类的一些昆虫实际上是蝴蝶,蝴蝶的品种数量越来越多,超过人们以前所想象的。

    “这一项目促进了生物多样性研究,为各种各样的昆虫提供了一个进化的基础,地球上已知的昆虫有近16万种。”论文第一作者、佛罗里达自然历史博物馆鳞翅目副馆长河原秋田说,“通过这一进化树,现在我们明白了大部分种类的蝴蝶和飞蛾是怎样进化的。”

    一场DNA的革命

    这项研究历时一年之久,利用大量基因数据回答了有关蝴蝶与飞蛾进化史的问题,也是首批这类研究中的一项。它揭示了鳞翅目世系中的重要发现,包括蝴蝶在进化史中的传统位置也与本研究极为不符,而可能被颠覆。研究人员认为,本项目也为未来的昆虫生态与基因学研究构建了进化的框架。

    河原还指出:“一场DNA的革命正在发生,这是科学史上的重大时机,现在我们能在大范围上应用DNA测序技术。”

    下一代测序技术是一种迅速处理大量DNA的方法。利用这种方法,研究人员建立了最初的46种样本,最能代表飞蛾和蝴蝶种群的大部分生物多样性。然后他们将33个转录组,也就是一套RNA分子和13个基因组相结合,它们都含有生物体的遗传物质。河原说,通过分解DNA再重新拼合,他们识别出了2696个基因。

    昆虫学家、美国夏威夷大学昆虫博物馆馆长丹尼尔·鲁宾诺夫说,新研究有助于科学家确切定位蝴蝶在进化史中的位置——这一问题是长期困扰科研人员的。

    “通过新技术的使用,本研究也为专业领域增加了更多知识,令人信服地证明了地球上最常见的昆虫之间的进化关系。”鲁宾诺夫说,“研究所用的方法是新的,并建立在以往研究的基础上,显然这也代表了深层进化研究的未来。”

    追溯千万年前

    蝴蝶和飞蛾是如此美丽,又如此纤细脆弱,这也正是它们迷人的特征之一。但当它们还处在幼虫阶段,对于通过化石记录来研究它们进化的科学家来说,还是个难解之谜。在最新研究中,科学家旨在更好地理解进化的历程,尤其是形态分析与化石记录还未能确立的部分,论文合著者、佛罗里达博物馆博士后研究员耶西·布雷恩霍特说。

    “我们只有极少的鳞翅目化石来自大约1500万年前。”布雷恩霍特说,“下一步是为这一组群建立一个进化史的数据库,从它们最早的祖先直到今天的子孙。”

    以往的研究是以解剖学的特征为基础,假设蝴蝶与大飞蛾的亲缘关系更近,但新的进化树表明,蝴蝶与小飞蛾或微型飞蛾的亲缘关系更近。本研究还提出,蝴蝶是地球上几万种飞蛾的祖先,比如喜蝶科(通常称为美国蝶蛾)归为飞蛾类,但其实是一种蝴蝶。

    本研究构建的“进化树”也提供了一个测试基准,观察蝴蝶或飞蛾是否在白天活动,这是蝴蝶的一个常见特征,进化得比以往科学家认为的更早,可能是在蝙蝠在地球上广泛繁荣的那段时间里,为了躲避蝙蝠及其它夜间掠食者而进化出了白天活动。

    未来研究将在整个鳞翅目中调查这种进化过渡,如昼间活动的原因。布雷恩霍特说,虽然新的“进化树”厘清了蝴蝶和飞蛾之间的关系,但还有许多世系有待检验。“考虑到鳞翅目昆虫极为多样,我希望这只是更大规模研究的起点。”

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