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偽裝是動物慣用的防御手段，在進化生物學領域中備受關注。動物通過改變體色和圖案，避免自身被發(fā)現或識別，以襲擊獵物或躲避天敵。在我國青藏高原及周邊地區(qū)，超過40種高山植物也具有典型的偽裝色彩。此前，中國科學院昆明植物研究所科研人員對偽裝植物的進化開展了研究。近日，該團隊利用半荷包紫堇的葉色二態(tài)性和群體間的葉色分化，揭示了偽裝葉色的遺傳決定機制。

我國西南海拔4000米以上的高山帶分布著較多特有動植物。一些紫堇屬Corydalis植物的葉片顏色與生長的碎石基質融為一體，難以區(qū)分，堪稱流石灘上的“隱身大師”。這些植物恰是絹蝶屬昆蟲的寄主——雌性絹蝶成蟲依靠視覺尋找紫堇寄主，并將卵產在寄主附近。蝴蝶幼蟲孵化后以紫堇為食，來自絹蝶的取食壓力可能驅動植物偽裝的進化。

該研究獲得了半荷包紫堇兩種葉色表型的高質量基因組，并通過轉錄組學和代謝組學分析，揭示了花青素生物合成途徑中結構基因的特異性表達以及代謝產物積累導致偽裝色葉片形成。基于6個群體157份半荷包紫堇個體高質量SV和SNP數據集全基因組關聯分析發(fā)現，4號染色體上一個254bp轉座子插入bHLH35基因，且該變異與葉色變異相關。它作為“開關”，增強了bHLH35基因的表達。作為調控花青素合成的轉錄因子，bHLH35基因的表達增強正向調控下游的花青素結構基因，促進花青素合成，使植物從綠色轉變?yōu)閭窝b色。這一機制與經典案例樺尺蛾的偽裝機制相似，在一定程度上體現了動植物偽裝遺傳機制的趨同進化。

進一步，該研究使用3D打印的綠色和偽裝色葉片在實地開展控制實驗，探討半荷包紫堇偽裝個體在防御絹蝶天敵方面的成效和方式。結果表明，絹蝶更傾向于在綠葉個體附近產卵。同時，自然狀態(tài)下偽裝個體受到的被取食壓力更小，有更高的結實率。

基于過去500年的氣候數據與群體基因組學分析表明，植物群體與蝴蝶群體之間呈現出“鏡像波動”現象：在氣候變暖背景下，綠色群體急劇下降，蝴蝶群體保持基本平衡；相反，偽裝群體基本穩(wěn)定，蝴蝶有效群體大小則急劇下降。

該研究整合了感官生態(tài)學、分子生物學和進化生物學等研究方法，解析了半荷包紫堇偽裝色彩進化的遺傳和生態(tài)適應機制，完成了植物偽裝分析和動植物共進化分析，為探究高海拔植物的生存策略提供了新見解。

相關研究成果以Genetic basis of camouflage in an alpine plant and its long-term co-evolution with an insect herbivore為題，在線發(fā)表在《自然-生態(tài)與進化》（Nature Ecology & Evolution）上。研究工作得到第二次青藏高原綜合科學考察研究、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、西藏自治區(qū)科技支撐計劃等的支持。該工作由昆明植物所、蘭州大學、美國華盛頓大學合作完成。

論文鏈接

半荷包紫堇偽裝變異的遺傳機制