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他们在昆虫的世界里追“光”

中国科学报

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李学燕供图

■本报记者 沈春蕾

水殿清风玉户开,飞光千点去还来……从古至今,当夜晚一群群闪烁着微光的萤火虫出现在草丛时,总会吸引无数人对这亮丽的自然奇观驻足感叹。

萤火虫发出的“光”被称为生物荧光,是自然界中最奇特的生命现象之一。但这些“光”从哪儿来,为什么有些虫发光、有些虫不发光,会发光的虫到底有多少种等问题一直困扰着科学家。

中国科学院昆明动物研究所(以下简称昆明动物所)进化基因组学与基因起源课题组副研究员李学燕带领的研究团队就是一群致力于分析“光”的人。他们自2002年开始,专注于萤火虫等发光甲虫的物种多样性和生物荧光起源研究。

近日,李学燕团队研究揭示了甲虫生物荧光的平行起源和发光体系的功能进化。相关研究成果发表于《分子生物学与进化》。

困惑已久的进化之谜

已有研究发现,发光生物广泛分布于生物世界,涵盖了从细菌、真菌到动物的很多类群,但最常见的发光生物是昆虫。会发光的昆虫主要集中在鞘翅目, 这些发光鞘翅目昆虫统称为发光甲虫。

发光甲虫是生活在陆地上的发光生物代表性类群,也是李学燕团队的主要研究对象。

“虽然甲虫是昆虫纲中种类最多的一个目,但发光甲虫仅分布于叩甲总科中的5个科,即萤科、凹眼萤科、光萤科、华萤叩甲科、叩甲科部分物种中。”李学燕介绍,其中萤火虫是最常见的发光甲虫。

研究显示,萤火虫的幼虫都可以发光, 但成虫并不都会发光。多数萤火虫的发光器官位于腹部后端, 雄性通常为2节、雌性通常为1节,其发光原理是荧光素在荧光酶和三磷酸腺苷(ATP)催化下发生氧化还原反应,伴随着化学能转变为光能。

至今发光甲虫还有一些未解之谜,比如为什么发光器官的形态和位置各异、为什么发光行为千差万别……“这也是困惑达尔文及后来很多生物学家的进化之谜,至今仍没有找到答案。”李学燕指出,甲虫生物荧光的起源问题虽然已经有一些相关研究,但由于缺乏关键代表性物种特别是基因组数据,导致相关问题一直没有得出定论。

李学燕团队围绕甲虫生物荧光起源问题,从基因组数据入手,解析了代表性发光甲虫及其近缘非发光甲虫共6个科6个物种的参考基因组,重构了发光甲虫及其近缘支系稳固的系统发育框架。通过比较基因组学和生化功能实验验证,研究团队发现,发光颜色从叩甲总科祖先到现存科呈蓝移(波长缩减)的进化趋势,且在发光的各科进一步分化。

“虽然我们取得了一些研究进展,但还是没能回答进化之谜。”李学燕告诉《中国科学报》,“这是我们努力探寻解决的问题。”

探寻生物起源和进化

2019年,李学燕团队取得一项重要进展——发现亚洲首例会发光的叩甲科昆虫。

李学燕介绍,叩甲科分布于全世界,大约有1万多种。已报道的发光叩甲约有200多种,主要分布于拉丁美洲和大洋洲。学术界一直好奇拉丁美洲和大洋洲之外的地区是否也有发光叩甲。

2017年,在我国云南西部开展的一次科学考察中,李学燕团队研究人员发现了一种发光叩甲,它平时不发光,仅在起飞的时候发光,并进一步研究证明了该种代表叩甲科一个新亚科。研究人员将这一新属新种发光甲虫命名为华萤叩甲。

李学燕表示,该发现打破了发光叩甲仅分布于拉丁美洲和大洋洲的观点,也为探讨生物荧光的起源与进化提供了一个重要研究系统。

2021年,李学燕团队再次收获发光甲虫的重要成果——在云南发现3个新种以及4个中国新记录种。这次的主角是长期以来静静居住于东喜马拉雅山及周边国家和地区的扁萤。

李学燕介绍,扁萤属是一类仅分布于亚洲喜马拉雅山脉周边国家及东南亚国家的萤火虫。它们雌雄二型,雄成虫有黑色的鞘翅,复眼很大,可持续发出较弱的绿色光;雌成虫无翅为幼虫状,全身乳白色,可持续发出较强的绿色光。

扁萤是一类生活在城市及其周边、易被大众观察到的萤火虫,在云南昆明的公园和一些住宅小区内都能看到它们的身影,因此扁萤属的中国不同种群通常都被称为云南扁萤。

李学燕带领团队以云南扁萤为代表种,先后测定了该种及其同属近缘种的基因组大小,解析了其线粒体基因组并以此探讨了该属的系统发育地位,克隆分析了其荧光酶特征,同时完成该种的参考基因组解析。

谈及最新研究成果,李学燕表示:“虽然这次我们没有发现新种,但此次发表的新研究主要基于此前发现的华萤叩甲和解析的两个萤科代表性物种高质量基因组开展工作,是研究发光甲虫生物起源和进化的成果,有助于进一步探讨物种多样性。”

长时间的关注和等待

昆虫是地球上物种多样性最丰富的类群,了解纷繁复杂的昆虫种类及其适应进化关系,是人类了解生命进化的关键之一,是为人类生产生活提供重要理论基础和实践依据的前提。这是李学燕自2002年加入昆明动物所以来,一直以萤火虫和蝴蝶等昆虫为研究对象的动力所在。

“最开始研究发光甲虫是希望知道为什么有些甲虫会发光,有些则不会,但当时国内并没有这个方向的研究。”李学燕告诉《中国科学报》,“我们从分类研究入手,搭建并完善了中国发光甲虫系统分类框架,探讨了萤火虫等发光甲虫的系统发育和演化,并结合基因组学和遗传操作技术等各种研究手段,探讨发光甲虫及生物荧光起源与进化。”

这些年来,李学燕团队先后发现了10多个发光甲虫的新种。她表示,研究一直在缓慢进行,分类研究是需要长时间关注和等待的研究,一些小类群的分类甚至没人做,仍有很多谜团未解开。

近年来,生物荧光已在生物医学、制药业、环境监测等诸多领域得到了广泛应用,这些应用的突破离不开大量基础研究的支撑。

“新种的发现固然很让人振奋,但我们更多时候是围绕物种多样性一点点探索和寻找答案。”在李学燕眼中,这个类似抽丝剥茧的过程虽然漫长但十分重要。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1093/molbev/msad287

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