通過(guò)顏色變化進(jìn)行偽裝包括可逆或永久性的變化，以應(yīng)對(duì)周期性的捕食者或食草動(dòng)物壓力。偽裝表型中背景匹配的進(jìn)化部分取決于偽裝性狀的遺傳學(xué)，但這一點(diǎn)在植物中很少受到關(guān)注。

近日，蘭州大學(xué)劉建全教授團(tuán)隊(duì)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(guò)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(guān)于植物偽裝性狀遺傳學(xué)及其在快速變化的植物-食草動(dòng)物相互作用動(dòng)態(tài)中潛在作用的見(jiàn)解。華命生物在本項(xiàng)目中提供了部分基因組測(cè)序和分析支持。

作者通過(guò)常年觀察發(fā)現(xiàn)，在西北高海拔地區(qū)，常見(jiàn)偽裝形態(tài)（葉片灰色）的三個(gè)紫堇種群比西南低海拔地區(qū)僅綠色葉片的三個(gè)種群有更多的植株。隨后通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)表明，雌性娟蝶主要停留并在綠色植株附近產(chǎn)卵，而灰色植株遭受娟蝶幼蟲進(jìn)食行為較少，結(jié)實(shí)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(méi)有差異。基于廣靶代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩種形態(tài)葉片共有254種差異表達(dá)代謝物（DEMs），其中27種在偽裝形態(tài)中上調(diào)，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(chǎn)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(xiàng)目研究地點(diǎn)、紫堇的生境和灰色及綠色葉色形態(tài)

作者組裝了灰色葉片和綠色葉片個(gè)體的兩個(gè)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(gè)DEGs，最顯著的DEG富集涉及類黃酮生物合成途徑，轉(zhuǎn)錄組分析表明，基因表達(dá)的差異導(dǎo)致了兩種形態(tài)中花青素的差異積累。

進(jìn)一步從三個(gè)西北種群中選擇了109個(gè)個(gè)體，對(duì)兩種形態(tài)之間的SVs進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)位于4號(hào)染色體的顯著變異，在灰色葉片植株的bHLH35基因第二個(gè)內(nèi)含子有一個(gè)254bp的插入（ins）。而所有綠色個(gè)體都缺乏這個(gè)254bp的插入?；疑珎窝b個(gè)體均包含這個(gè)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

這個(gè)254bp插入注釋為TcMar-Stowaway家族的DNA轉(zhuǎn)座子，在這個(gè)插入的轉(zhuǎn)座子內(nèi)，注釋了多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的順式調(diào)控元件，表明該插入可能作為增強(qiáng)子。作者進(jìn)一步使用Hi-C數(shù)據(jù)檢查bHLH35（±5 kb）內(nèi)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(gè)更開放的A區(qū)，表明對(duì)連鎖基因具有增強(qiáng)作用。H3K27ac ChIP-seq實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了攜帶bHLH35-ins的基因顯示出增強(qiáng)的染色質(zhì)可及性。并且檢測(cè)到灰色偽裝形態(tài)中bHLH35的表達(dá)顯著更高。因此，插入的轉(zhuǎn)座子可能作為增強(qiáng)子，增加了bHLH35的轉(zhuǎn)錄活性和表達(dá)水平。為了驗(yàn)證插入轉(zhuǎn)座元件的增強(qiáng)子活性，作者進(jìn)一步使用GUS報(bào)告系統(tǒng)，通過(guò)轉(zhuǎn)化煙草和擬南芥葉片來(lái)分析插入的時(shí)空表達(dá)水平的調(diào)控，兩種方法都支持插入的增強(qiáng)子活性。

通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告分析進(jìn)一步確認(rèn)了bHLH35結(jié)合到三個(gè)選定的花青素途徑基因的啟動(dòng)子。此外，在擬南芥中過(guò)表達(dá)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。

作者接下來(lái)基于種群基因組數(shù)據(jù)和質(zhì)體基因組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)西北高海拔的三個(gè)紫堇種群（包含兩種葉色形態(tài)）屬于一個(gè)單一譜系。在西北譜系內(nèi)，偽裝和非偽裝個(gè)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(yīng)性可能促進(jìn)了“TE插入”單倍型的快速擴(kuò)展。

進(jìn)一步分析表明西北和東南群體分化發(fā)生在大約50萬(wàn)至100萬(wàn)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(jì)算方法結(jié)果也顯示，自1920年代以來(lái)，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(lái)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(shí)間和Ne，作者也組裝了娟蝶染色體級(jí)別基因組，然后對(duì)來(lái)自西北的11個(gè)娟蝶個(gè)體和來(lái)自東南的14個(gè)個(gè)體進(jìn)行了測(cè)序。西北和東南娟蝶生態(tài)型之間的種群分化時(shí)間約為100-130萬(wàn)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(gè)地區(qū)的種群從大約100萬(wàn)年前開始下降，但在過(guò)去200年中表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)。在高海拔西北地區(qū)，蝴蝶與包含偽裝個(gè)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。

結(jié)語(yǔ)

作者通過(guò)常年的野外觀察數(shù)據(jù)和多組學(xué)實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)座子插入，進(jìn)一步通過(guò)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(dòng)物相互作用的復(fù)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(yīng)性后果及其潛在遺傳突變外，作者的種群基因組學(xué)方法還為營(yíng)養(yǎng)相互作用中植物和動(dòng)物的共進(jìn)化軌跡提供了見(jiàn)解。鑒于世界高海拔環(huán)境中種群監(jiān)測(cè)的稀缺性，種群基因組學(xué)方法也為這些難以接近的生物群中的種群擴(kuò)張或收縮提供了另一種研究途徑。

參考文獻(xiàn)

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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