作者:文乐乐 来源:中国科学报 发布时间:2020/6/9 15:20:57
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昆虫翅或由腿进化而来

 

晚春时节,蜉蝣成群结队地飞来飞去。 图片来源:ISABEL ALMUDI

在世界各地的河流和小溪中,蜉蝣仿佛是一种春天的仪式。这种蚊子大小的昆虫有两种生活方式,幼虫在水中茁壮成长,成虫则在6月前后大量繁殖——它们在几个小时内进行交配,然后很快死亡。

据《科学》报道,通过对一种不同寻常的、雄性有第二双向上的眼睛的蜉蝣物种进行基因组测序,研究人员现在搞清了水生蜉蝣幼虫是如何变为飞虫的,并发现了昆虫最初是如何进化出飞行本领的新线索。

由于数量众多,蜉蝣是鸟类、鱼类和哺乳动物的重要食物。它们一生中的大部分时间都在水下食用枯叶和其他物质。当春末气温回升时,那些肌肉发达、看起来像微型六足虾的幼虫就会浮出水面,蜕皮成为娇弱的、两翅或四翅的成虫。进化生物学家对蜉蝣很感兴趣,因为它和远亲蜻蜓属于昆虫族谱早期进化的一个分支,事实上,它们看起来仍然很像最早的空中昆虫。

然而,从一只小昆虫身上获得高质量的基因组是很难的。科学家需要将几只昆虫的DNA进行组合,而每只昆虫的基因组略有不同。所以,在对这种蜉蝣物种进行测序之前, 安达卢西亚发育生物学中心生物学家Isabel Almudi、Fernando Casares及其同事必须先明确如何在实验室里繁殖这个物种,之后,他们才能够对蜉蝣基因组进行测序,测量所有生命阶段和各种组织中的基因活性。这对于蜉蝣来说是第一次。

研究给出了几个惊喜。首先,这种雄性蜉蝣有两种被称为视蛋白的额外感光蛋白,而雌性蜉蝣则没有。研究小组推测,这些视蛋白能感知蓝色和超强光,并在第二双眼睛中很活跃,也许能帮助其看到位于上方的雌性。

最大的惊喜来自蜉蝣幼虫鳃的基因活动。蜉蝣的鳃一度被认为只用于吸氧,但它似乎也是鼻子。Almudi和她的团队在《自然—通讯》上报告说,这个组织中有异常多的与嗅觉和味觉有关的蛋白质。

英国非营利昆虫保护组织Buglife的昆虫学家Craig Macadam表示,这一发现“可能帮助我们更多地了解蜉蝣是如何感知周围环境的”。美国迈阿密大学进化生物学家Yoshi Tomoyasu认为,这些额外的蛋白质也可以帮助蜉蝣幼虫向成虫大规模进化。

研究人员在梳理发育过程中活跃的基因时,发现蜉蝣幼虫鳃中有几个基因在成年蜉蝣翅膀的发育过程中也起作用。

昆虫翅膀是一项重要的进化创新,其起源一直是争论的焦点。一些生物学家认为,翅膀最初作为体壁的延伸而进化,而另一些人则认为它们由腿进化而来。蜉蝣的鳃被认为是从上肢中长出来的。因此,Tomoyasu认为,翅膀和鳃具有相似基因活动的发现,为翅膀和鳃至少部分是由腿进化而来的观点“提供了第一个基因组支持”。

但是,Macadam说,“这是否意味着翅膀是从鳃中衍生出来的仍有争议。”

普渡大学昆虫学家Luke Jacobus认为,蜉蝣基因组和这些初步发现只是第一步。 “我希望这项研究能激发更多关于蜉蝣的研究。”他说,它们在理解昆虫是如何进化方面“具有尚未开发的潜力”。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16284-8

 
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