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。現(xiàn)在，兩個研究團(tuán)隊已經(jīng)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這種標(biāo)志性昆蟲如何對其有毒食物免疫，并且通過對果蠅進(jìn)行相同的改變，展示了三個遺傳突變是關(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)入另一個物種來驗證其特征。

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)了三個突變，改變了蛋白泵中的三個氨基酸。通過查看這些變化在整個昆蟲科樹上的分布，懷特曼及其同事可以預(yù)測出哪些變化最先發(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對果蠅的這些變化進(jìn)行組合來重播進(jìn)化過程。

預(yù)計帝王祖先會發(fā)生一個單一突變，使果蠅對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，懷特曼及其同事今天在《自然》雜志上報告說，果蠅得到了更好的保護(hù)。當(dāng)他們添加第三個突變時，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食肉動物有毒。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上的報道，當(dāng)時他們以不同的編輯方法設(shè)計了果蠅，有時在兩個泵浦基因的兩個副本中進(jìn)行突變，有時只在一個副本中進(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。他和他的同事報告說，在其他情況下，果蠅有神經(jīng)系統(tǒng)缺陷。

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

“希望[這項工作]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，他沒有參與這項工作。總而言之，“這只是一個美麗而完整的故事，”她補(bǔ)充道。