揭開帝王斑蝶遷徙的神秘面紗

2011/12/14 |

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Photograph by Joel Sartore, National Geographic

每年的秋天，百萬隻帝王斑蝶(Danaus plexippus)使用具有時間補償性的太陽羅盤指針 (time-compensated sun compass) 從美東地區飛往美國南部，穿越兩千英哩到達墨西哥中部的杉樹林度過寒冬。

科學家長久以來深深地著迷於究竟是怎麼樣的生物機制，能夠讓這些纖巧的小生物世世代代經歷這麼長距離的旅程，抵達一個大約300平方英哩的地區。

為了解開這趟讓人驚豔的旅程裡面扮演重要調控角色的遺傳因子，麻省醫學大學的神經生物學家們率先對帝王斑蝶的基因體進行解序。

帶領這項研究的神經生物學教授史蒂芬‧瑞伯特 (Steven M. Reppert)，他提到：「遷徙的帝王斑蝶從前一年的秋天開始至少要歷經三個世代才能夠成功完成這趟遷徙之旅，前幾代的蝴蝶從來都沒有到過越冬的地區，也沒有親屬領導他們前往。這必定有一種遺傳的機制在調控這些蝴蝶的遷徙行為。我們想要知道這個機制並且瞭解它如何運作。」

了解帝王斑蝶的基因、行為與生理上適應的關聯性將能夠提供新的觀點來瞭解人類身上同樣的關聯性。例如，約日時鐘 (circadian clocks) 是具有時間補償性的太陽羅盤系統中主要的元件，用來控制帝王斑蝶能夠在長距離的旅程中找到方向；而約日時鐘現在已經知道在人類身上扮演重要的角色。從一日內賀爾蒙濃度的變化、藥物動力學、疾病發生過程–如心臟病最常發生於清晨時間，都透露著約日時鐘對於人類生理學有關鍵性的影響。了解約日時鐘的分子機制，已經證實有助於知道這些時鐘基因的突變對於造成睡眠時間混亂的機制，而且也有助於解開時鐘基因突變怎麼造成憂鬱症與季節性情緒失調。

發表在《細胞》期刊的這份研究，由瑞伯特博士與麻省醫學院的同儕詹帥博士 (Shuai Zhan) 和克麗絲汀‧梅林博士後研究員(Christine Merlin)，以及基因體計畫解決方案的執行長傑弗瑞‧波爾博士 (Jeffrey L. Boore) 共同合作，提出利用次世代定序技術 (next-generation sequencing technology) 解開二億七千三百萬個鹼基 (273 Mb) 的帝王斑蝶基因體草圖。經過分析這些遺傳訊息組共找到大約 16,866個能轉譯成蛋白質的基因，其中有數個基因家族與帝王蝶季節性遷徙有主要的關聯性。瑞伯特與研究同儕從剛出爐的帝王斑蝶基因體中找到的基因群包括：

•太陽羅盤系統的視覺接收與腦內處理訊息相關的基因；
•帝王斑蝶約日時鐘的分子組成中全部的基因；
•調控青春激素(juvenile hormone)生合成途徑的基因群，青春激素對於遷徙行為扮演關鍵性的角色而且發現非預期的調控關係；
•指向性飛行行為的附加基因群；
•帝王斑蝶專一性嗅覺受器的廣泛特化，可能與長距離遷徙有重要的關係；
•以及多種鈉鉀幫浦產生重要的化學防禦機制，在遷徙時用來擊退捕食者。

勞立‧湯普金斯博士(Laurie Tompkins)負責監督國家衛生院的大眾醫學研究所在行為遺傳學上的研究經費，他提到：「為什麼要針對另一個物種進行解序呢？因為帝王蝶斑季節性遷徙超過千餘英哩的距離是非常特殊的。基因體的序列資訊能夠提供我們線索，解開這些蝴蝶是怎麼在行為與生理上適應長距離遷徙。」

瑞伯特說：「關於大腦處理訊息的基本機制中，參與長距離遷徙的定向系統的奧秘是非常難破解的，藉由剖析帝王斑蝶那長距離遷徙的遺傳基礎，將會不僅幫助我們認識帝王斑蝶本身，更能夠應用到其他遷徙動物，包括候鳥與海龜。」

這個研究計畫的經費是由國家衛生院的大眾醫學研究所贊助的美國復甦與再投資法案基金，以及希金斯家族的共同支持。

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翻譯來源: UMassMED

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