揭开帝王斑蝶迁徙的神秘面纱

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帝王斑蝶迁徙

每年的秋天,百万只帝王斑蝶(Danaus plexippus)使用具有时间补偿性的太阳罗盘指针 (time-compensated sun compass) 从美东地区飞往美国南部,穿越两千英哩到达墨西哥中部的杉树林度过寒冬。

科学家长久以来深深地着迷于究竟是怎么样的生物机制,能够让这些纤巧的小生物世世代代经历这么长距离的旅程,抵达一个大约300平方英哩的地区。

为了解开这趟让人惊艳的旅程里面扮演重要调控角色的遗传因子,麻省医学大学的神经生物学家们率先对帝王斑蝶的基因体进行解序。

带领这项研究的神经生物学教授史蒂芬‧瑞伯特 (Steven M. Reppert),他提到:「迁徙的帝王斑蝶从前一年的秋天开始至少要历经三个世代才能够成功完成这趟迁徙之旅,前几代的蝴蝶从来都没有到过越冬的地区,也没有亲属领导他们前往。这必定有一种遗传的机制在调控这些蝴蝶的迁徙行为。我们想要知道这个机制并且了解它如何运作。」

了解帝王斑蝶的基因、行为与生理上适应的关联性将能够提供新的观点来了解人类身上同样的关联性。例如,约日时钟 (circadian clocks) 是具有时间补偿性的太阳罗盘系统中主要的组件,用来控制帝王斑蝶能够在长距离的旅程中找到方向;而约日时钟现在已经知道在人类身上扮演重要的角色。从一日内贺尔蒙浓度的变化、药物动力学、疾病发生过程–如心脏病最常发生于清晨时间,都透露着约日时钟对于人类生理学有关键性的影响。了解约日时钟的分子机制,已经证实有助于知道这些时钟基因的突变对于造成睡眠时间混乱的机制,而且也有助于解开时钟基因突变怎么造成忧郁症与季节性情绪失调。

发表在《细胞》期刊的这份研究,由瑞伯特博士与麻省医学院的同侪詹帅博士 (Shuai Zhan) 和克丽丝汀‧默林博士后研究员(Christine Merlin),以及基因体计划解决方案的执行长杰弗瑞‧波尔博士 (Jeffrey L. Boore) 共同合作,提出利用次世代定序技术 (next-generation sequencing technology) 解开二亿七千三百万个碱基 (273 Mb) 的帝王斑蝶基因体草图。经过分析这些遗传讯息组共找到大约 16,866个能转译成蛋白质的基因,其中有数个基因家族与帝王蝶季节性迁徙有主要的关联性。瑞伯特与研究同侪从刚出炉的帝王斑蝶基因体中找到的基因群包括:

•太阳罗盘系统的视觉接收与脑内处理讯息相关的基因;

•帝王斑蝶约日时钟的分子组成中全部的基因;

•调控青春激素(juvenile hormone)生合成途径的基因群,青春激素对于迁徙行为扮演关键性的角色而且发现非预期的调控关系;

•指向性飞行行为的附加基因群;

•帝王斑蝶专一性嗅觉受器的广泛特化,可能与长距离迁徙有重要的关系;

•以及多种钠钾帮浦产生重要的化学防御机制,在迁徙时用来击退捕食者。

劳立‧汤普金斯博士(Laurie Tompkins)负责监督国家卫生院的大众医学研究所在行为遗传学上的研究经费,他提到:「为什么要针对另一个物种进行解序呢?因为帝王蝶斑季节性迁徙超过千余英哩的距离是非常特殊的。基因体的序列信息能够提供我们线索,解开这些蝴蝶是怎么在行为与生理上适应长距离迁徙。」

瑞伯特说:「关于大脑处理讯息的基本机制中,参与长距离迁徙的定向系统的奥秘是非常难破解的,藉由剖析帝王斑蝶那长距离迁徙的遗传基础,将会不仅帮助我们认识帝王斑蝶本身,更能够应用到其他迁徙动物,包括候鸟与海龟。」

这个研究计划的经费是由国家卫生院的大众医学研究所赞助的美国复苏与再投资法案基金,以及希金斯家族的共同支持。

论文原文:

Shuai Zhan, Christine Merlin, Jeffrey L. Boore, Steven M. Reppert. The Monarch Butterfly Genome Yields Insights into Long-Distance MigrationCell, 2011; 147 (5): 1171 DOI: 10.1016/j.cell.2011.09.052

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