NEE項目文章丨高山植物偽裝及其與食草昆蟲長期共進化的遺傳基礎
通過顏色變化進行偽裝包括可逆或永久性的變化，以應對周期性的捕食者或食草動物壓力。偽裝表型中背景匹配的進化部分取決于偽裝性狀的遺傳學，但這一點在植物中很少受到關注。
近日，蘭州大學劉建全教授團隊和合作者一起，在著名期刊《Nature Ecology & Evolution》發(fā)表了題為“Genetic basis of camouflage in an alpine plant and its long-term co-evolution with an insect herbivore“的研究論文，本文闡明了青藏高原上灰色葉型紫堇（Corydalis hemidicentra）的遺傳途徑，該植物通過偽裝逃避專性取食昆蟲娟蝶（Parnassius）幼蟲的取食行為。這些發(fā)現(xiàn)為大家提供了關于植物偽裝性狀遺傳學及其在快速變化的植物-食草動物相互作用動態(tài)中潛在作用的見解。華命生物在本項目中提供了部分基因組測序和分析支持。
一、紫堇偽裝形態(tài)躲避取食
作者通過常年觀察發(fā)現(xiàn)，在西北高海拔地區(qū)，常見偽裝形態(tài)（葉片灰色）的三個紫堇種群比西南低海拔地區(qū)僅綠色葉片的三個種群有更多的植株。隨后通過田間實驗表明，雌性娟蝶主要停留并在綠色植株附近產卵，而灰色植株遭受娟蝶幼蟲進食行為較少，結實率更高。
分析發(fā)現(xiàn)兩種形態(tài)葉片在總花青素濃度上存在顯著差異，但在葉綠素或類胡蘿卜素上沒有差異。基于廣靶代謝組學數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩種形態(tài)葉片共有254種差異表達代謝物（DEMs），其中27種在偽裝形態(tài)中上調，包括有色的花青素和飛燕草素等，其中花青素-3-O-葡萄糖苷及其下游產物花青素-3-O-槐糖苷是偽裝葉片中最豐富的花青素。
圖1：項目研究地點、紫堇的生境和灰色及綠色葉色形態(tài)
二、254bp插入與植物偽裝相關
作者組裝了灰色葉片和綠色葉片個體的兩個染色體水平基因組。在兩種形態(tài)葉片之間鑒定了共4,218個DEGs，最顯著的DEG富集涉及類黃酮生物合成途徑，轉錄組分析表明，基因表達的差異導致了兩種形態(tài)中花青素的差異積累。
進一步從三個西北種群中選擇了109個個體，對兩種形態(tài)之間的SVs進行全基因組關聯(lián)研究（GWAS），發(fā)現(xiàn)了一個位于4號染色體的顯著變異，在灰色葉片植株的bHLH35基因第二個內含子有一個254bp的插入（ins）。而所有綠色個體都缺乏這個254bp的插入?；疑珎窝b個體均包含這個雜合和純合的254bp插入的SVs。
圖2：紫堇偽裝形態(tài)的SVs突變鑒定
三、254bp轉座子是bHLH35基因的增強子
這個254bp插入注釋為TcMar-Stowaway家族的DNA轉座子，在這個插入的轉座子內，注釋了多個轉錄因子結合的順式調控元件，表明該插入可能作為增強子。作者進一步使用Hi-C數(shù)據(jù)檢查bHLH35（±5 kb）內及其周圍的TAD，發(fā)現(xiàn)灰色偽裝形態(tài)的TAD區(qū)域中有一個更開放的A區(qū)，表明對連鎖基因具有增強作用。H3K27ac ChIP-seq實驗也驗證了攜帶bHLH35-ins的基因顯示出增強的染色質可及性。并且檢測到灰色偽裝形態(tài)中bHLH35的表達顯著更高。因此，插入的轉座子可能作為增強子，增加了bHLH35的轉錄活性和表達水平。為了驗證插入轉座元件的增強子活性，作者進一步使用GUS報告系統(tǒng)，通過轉化煙草和擬南芥葉片來分析插入的時空表達水平的調控，兩種方法都支持插入的增強子活性。
通過雙熒光素酶報告分析進一步確認了bHLH35結合到三個選定的花青素途徑基因的啟動子。此外，在擬南芥中過表達偽裝葉片紫堇的bHLH35，也發(fā)現(xiàn)擬南芥葉片中積累了更高濃度的花青素。
圖3：插入SV引起bHLH35基因表達增強及其對下游花青素基因的靶向作用
四、紫堇和娟蝶種群分化時間及有效種群規(guī)模
作者接下來基于種群基因組數(shù)據(jù)和質體基因組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)西北高海拔的三個紫堇種群（包含兩種葉色形態(tài)）屬于一個單一譜系。在西北譜系內，偽裝和非偽裝個體混合在一起，且在遺傳上非常相似。表明異交和生態(tài)適應性可能促進了“TE插入”單倍型的快速擴展。
進一步分析表明西北和東南群體分化發(fā)生在大約50萬至100萬年前，分化發(fā)生后，西北和東南種群的Ne一直下降直到末次冰盛期，低海拔東南種群（單態(tài)綠色葉片）的Ne始終小于高海拔西北種群（綠色和灰色二態(tài)）。其他計算方法結果也顯示，自1920年代以來，包含偽裝植物的高海拔西北種群的Ne一直穩(wěn)定，而低海拔東南種群的Ne自1980年代以來一直在下降。
為了類似地推斷與西北和東南植物種群相互作用的娟蝶種群的分化時間和Ne，作者也組裝了娟蝶染色體級別基因組，然后對來自西北的11個娟蝶個體和來自東南的14個個體進行了測序。西北和東南娟蝶生態(tài)型之間的種群分化時間約為100-130萬年前，略早于西北和東南紫堇群體的分化。
基于娟蝶群體全基因組數(shù)據(jù)分析表明，兩個地區(qū)的種群從大約100萬年前開始下降，但在過去200年中表現(xiàn)出不同的動態(tài)。在高海拔西北地區(qū)，蝴蝶與包含偽裝個體的紫堇種群相互作用，Ne在大約100年前迅速增加，然后從1970年代開始減少，而在低海拔的東南地區(qū)，Ne基本保持穩(wěn)定。
圖4：青藏高原西北與東南研究地點紫堇譜系分化及植物與娟蝶種群歷史變化
結語
作者通過常年的野外觀察數(shù)據(jù)和多組學實驗數(shù)據(jù)表明，紫堇的灰色葉片偽裝能夠減少其專性食草娟蝶的取食行為，研究揭示了葉片偽裝是由于bHLH35基因中的轉座子插入，進一步通過群體分化歷史和種群歷史有效大小等研究證明了影響植物-食草動物相互作用的復雜生物和非生物因素。
文章除了揭示偽裝灰色形態(tài)的適應性后果及其潛在遺傳突變外，作者的種群基因組學方法還為營養(yǎng)相互作用中植物和動物的共進化軌跡提供了見解。鑒于世界高海拔環(huán)境中種群監(jiān)測的稀缺性，種群基因組學方法也為這些難以接近的生物群中的種群擴張或收縮提供了另一種研究途徑。
參考文獻
Zhang, H., Zhang, P., Niu, Y. et al. Genetic basis of camouflage in an alpine plant and its long-term co-evolution with an insect herbivore. Nat Ecol Evol (2025). https://doi.org/10.1038/s41559-025-02653-3
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