轉載自:深夜怪談 帝王斑蝶的起源 遷徙 警戒色

據說北美洲帝王斑蝶(monarch butterfly,學名Danaus plexippus)每年南北大遷徙這回事很有名,不過我竟然之前毫無所悉,剛好看到這個2014年的研究,來簡介一下。

帝王斑蝶  via 這裡

 

論文:

The genetics of monarch butterfly migration and warning colouration

帝王斑蝶的wiki 介紹:

http://en.wikipedia.org/wiki/Monarch_butterfly

影片:

帝王斑蝶遷徙影片 

 

這個研究大手筆做了在全世界抓到的80隻帝王斑蝶,以及其他四個近緣種9隻蝴蝶的全套基因組定序。論文有3部分,主軸是透過比較世界各地採樣的帝王斑蝶,族群間的DNA序列差異來回答:一、各地斑蝶族群的親緣關係;二、找到影響遷徙的基因;三、找到影響翅膀顏色由黃變白的基因。

 

帝王斑蝶世界四大族群

帝王斑蝶世界四大族群分佈

 

帝王斑蝶共有四大族群,只有北美族群會遷徙,其餘中南美族群、太平洋族群(夏威夷、紐西蘭、斐濟、澳洲等)、大西洋族群(西班牙、葡萄牙、摩洛哥)都不會。根據歷史記載,太平洋與大西洋族群都是最近兩百年左右才被觀察到,那麼北美洲與中南美洲,哪個才是帝王斑蝶的發源地?有個假說是帝王斑蝶發源於中南美洲,開始時不會遷徙,後來演化出遷徙能力才移民北美洲。

 

   斑蝶種親緣關係

斑蝶種間的親緣關係,帝王斑蝶 D. plexippus D. erippus 最接近

 

親緣分析顯示帝王斑蝶跟D. erippus這種也會遷徙的蝴蝶最接近;帝王斑蝶本身四大族群中,北美洲族群最古老,歷史上北美族群可能在一百萬年前與D. erippus分開,然後兩萬年前族群擴大,其他三大族群則是後來分3次由北美族群分別獨立出去。也就是說,最早的帝王斑蝶是會遷徙的北美族群,可見遷徙是帝王斑蝶比較古老的特徵,後來分枝出去的3大族群,都在移民之後各自喪失了遷徙的能力,留在當地。

 

帝王斑蝶族群間的親緣關係 

帝王斑蝶種內的親緣關係,最早的是北美族群,後來分3次獨立成另外三大族群

 

接下來要找的目標,是影響遷徙行為的基因。概念是既然北美族群會遷徙,而其他族群不會,那麼答案應該在那些其他3個不遷徙的族群間很一致,卻與會遷徙的北美族群差很大的基因。用這個概念(與一堆很難解釋的方法)找到的膠原蛋白基因「collagen IV α-1」似乎很有可能,膠原蛋白有好幾個型號,四號主要的功能是形成基底膜(basement membrane)與參與肌肉運作。

 

身體裡collagen IV α-1 蛋白質要形成複合體才能運作,2條collagen IV α-1以及1條「collagen IV α-2」會交纏成一束的結構。會遷徙族群的collagen IV α-1序列中,有個被正向選汰(positive selection)位置的氨基酸是arginine,positive selection意思是演化偏好改變成這個氨基酸,在不會遷徙的族群中,它會變成glutamine,也許會影響複合體的結合能力。

 

collagen IV complex structure

via 這裡

 

本論文沒有直接證明這個基因,的確是造成遷徙的原因,而是做了2個間接的實驗(有興趣可以自己深入這篇論文,會發現很……微妙的點)。會遷徙族群中,這個基因在胸部肌肉(與飛行有關)的表現量, 低於不會遷徙的族群。另一個是飛行代謝率,不管會不會遷徙的帝王斑蝶,靜止時的代謝率都差不多,但飛行時會遷徙族群的代謝率,顯著低於不遷徙族群,意謂會遷徙族群在飛行時,能量利用的效率似乎較佳。

 

 

膠原蛋白基因樹

用collagen IV α-1這個基因做出來的基因關係樹,帝王斑蝶會遷徙族群的這個基因,反而更接近緣種,而不像跟自己同種的那些不遷徙族群

 

帝王斑蝶的族群間,會遷徙族群比較早演化出來,不遷徙族群則是隨後喪失遷徙能力的結果,但親緣分析顯示,不遷徙族群中的collagen IV α-1 基因(同一個基因在不同個體有不同版本,就像不同人有不同ABO血型那樣),在演化上反而可能比會遷徙的更早出現,暗示不遷徙才是這些蝴蝶的共同祖先更早的狀態。從會遷徙的北美族群3次獨立出去的其他族群,通通都恢復飛行代謝率變高這種更古老狀態看來,比較高的飛行代謝率,可能對於不需要長途旅行的帝王斑蝶,在演化上有某種助益。

 

 黃斑蝶與白斑蝶  

帝王斑蝶與白帝王斑蝶

 

講完遷徙,接下來論文突然跳到翅膀顏色 (有興趣可以自己深入這篇論文,會發現很多……很微妙的點),一般帝王斑蝶的翅膀是黃橘色,但夏威夷有些個體的翅膀會變成白色。透過比較不同翅膀顏色的個 體,找到翅膀顏色改變跟一個基因肌球蛋白(myosin)有關,這個發現很神奇,因為這基因顯然與製造色素無關,因此推論是它參與了色素的運輸,不過本研究同樣沒有實驗證明。

 

雖然我沒聽過,不過帝王斑蝶是美帝的明星生物之一,對於這個研究,芝加哥大學發的新聞稿直接用「iconic」來描述帝王斑蝶。近年帝王斑蝶的族群數量明顯下降,希望這些美麗的蝴蝶不要因為人為因素滅亡。

 

芝加哥大學新聞稿:

Genetic secrets of the monarch butterfly revealed

 

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