NEE项目文章丨高山植物伪装及其与食草昆虫长期共进化的遗传基础
通过颜色变化进行伪装包括可逆或永久性的变化，以应对周期性的捕食者或食草动物压力。伪装表型中背景匹配的进化部分取决于伪装性状的遗传学，但这一点在植物中很少受到关注。
近日，兰州大学刘建全教授团队和合作者一起，在著名期刊《Nature Ecology & Evolution》发表了题为“Genetic basis of camouflage in an alpine plant and its long-term co-evolution with an insect herbivore“的研究论文，本文阐明了青藏高原上灰色叶型紫堇（Corydalis hemidicentra）的遗传途径，该植物通过伪装逃避专性取食昆虫娟蝶（Parnassius）幼虫的取食行为。这些发现为大家提供了关于植物伪装性状遗传学及其在快速变化的植物-食草动物相互作用动态中潜在作用的见解。华命生物在本项目中提供了部分基因组测序和分析支持。
一、紫堇伪装形态躲避取食
作者通过常年观察发现，在西北高海拔地区，常见伪装形态（叶片灰色）的三个紫堇种群比西南低海拔地区仅绿色叶片的三个种群有更多的植株。随后通过田间实验表明，雌性娟蝶主要停留并在绿色植株附近产卵，而灰色植株遭受娟蝶幼虫进食行为较少，结实率更高。
分析发现两种形态叶片在总花青素浓度上存在显著差异，但在叶绿素或类胡萝卜素上没有差异。基于广靶代谢组学数据，发现两种形态叶片共有254种差异表达代谢物（DEMs），其中27种在伪装形态中上调，包括有色的花青素和飞燕草素等，其中花青素-3-O-葡萄糖苷及其下游产物花青素-3-O-槐糖苷是伪装叶片中最丰富的花青素。
图1：项目研究地点、紫堇的生境和灰色及绿色叶色形态
二、254bp插入与植物伪装相关
作者组装了灰色叶片和绿色叶片个体的两个染色体水平基因组。在两种形态叶片之间鉴定了共4,218个DEGs，最显著的DEG富集涉及类黄酮生物合成途径，转录组分析表明，基因表达的差异导致了两种形态中花青素的差异积累。
进一步从三个西北种群中选择了109个个体，对两种形态之间的SVs进行全基因组关联研究（GWAS），发现了一个位于4号染色体的显著变异，在灰色叶片植株的bHLH35基因第二个内含子有一个254bp的插入（ins）。而所有绿色个体都缺乏这个254bp的插入。灰色伪装个体均包含这个杂合和纯合的254bp插入的SVs。
图2：紫堇伪装形态的SVs突变鉴定
三、254bp转座子是bHLH35基因的增强子
这个254bp插入注释为TcMar-Stowaway家族的DNA转座子，在这个插入的转座子内，注释了多个转录因子结合的顺式调控元件，表明该插入可能作为增强子。作者进一步使用Hi-C数据检查bHLH35（±5 kb）内及其周围的TAD，发现灰色伪装形态的TAD区域中有一个更开放的A区，表明对连锁基因具有增强作用。H3K27ac ChIP-seq实验也验证了携带bHLH35-ins的基因显示出增强的染色质可及性。并且检测到灰色伪装形态中bHLH35的表达显著更高。因此，插入的转座子可能作为增强子，增加了bHLH35的转录活性和表达水平。为了验证插入转座元件的增强子活性，作者进一步使用GUS报告系统，通过转化烟草和拟南芥叶片来分析插入的时空表达水平的调控，两种方法都支持插入的增强子活性。
通过双荧光素酶报告分析进一步确认了bHLH35结合到三个选定的花青素途径基因的启动子。此外，在拟南芥中过表达伪装叶片紫堇的bHLH35，也发现拟南芥叶片中积累了更高浓度的花青素。
图3：插入SV引起bHLH35基因表达增强及其对下游花青素基因的靶向作用
四、紫堇和娟蝶种群分化时间及有效种群规模
作者接下来基于种群基因组数据和质体基因组数据分析，发现西北高海拔的三个紫堇种群（包含两种叶色形态）属于一个单一谱系。在西北谱系内，伪装和非伪装个体混合在一起，且在遗传上非常相似。表明异交和生态适应性可能促进了“TE插入”单倍型的快速扩展。
进一步分析表明西北和东南群体分化发生在大约50万至100万年前，分化发生后，西北和东南种群的Ne一直下降直到末次冰盛期，低海拔东南种群（单态绿色叶片）的Ne始终小于高海拔西北种群（绿色和灰色二态）。其他计算方法结果也显示，自1920年代以来，包含伪装植物的高海拔西北种群的Ne一直稳定，而低海拔东南种群的Ne自1980年代以来一直在下降。
为了类似地推断与西北和东南植物种群相互作用的娟蝶种群的分化时间和Ne，作者也组装了娟蝶染色体级别基因组，然后对来自西北的11个娟蝶个体和来自东南的14个个体进行了测序。西北和东南娟蝶生态型之间的种群分化时间约为100-130万年前，略早于西北和东南紫堇群体的分化。
基于娟蝶群体全基因组数据分析表明，两个地区的种群从大约100万年前开始下降，但在过去200年中表现出不同的动态。在高海拔西北地区，蝴蝶与包含伪装个体的紫堇种群相互作用，Ne在大约100年前迅速增加，然后从1970年代开始减少，而在低海拔的东南地区，Ne基本保持稳定。
图4：青藏高原西北与东南研究地点紫堇谱系分化及植物与娟蝶种群历史变化
结语
作者通过常年的野外观察数据和多组学实验数据表明，紫堇的灰色叶片伪装能够减少其专性食草娟蝶的取食行为，研究揭示了叶片伪装是由于bHLH35基因中的转座子插入，进一步通过群体分化历史和种群历史有效大小等研究证明了影响植物-食草动物相互作用的复杂生物和非生物因素。
文章除了揭示伪装灰色形态的适应性后果及其潜在遗传突变外，作者的种群基因组学方法还为营养相互作用中植物和动物的共进化轨迹提供了见解。鉴于世界高海拔环境中种群监测的稀缺性，种群基因组学方法也为这些难以接近的生物群中的种群扩张或收缩提供了另一种研究途径。
参考文献
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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