近日，我院彩万志教授和田里副教授课题组在进化生物学国际著名期刊《分子生物学与进化》（Molecular Biology and Evolution）在线发表了题为《Hox 位点突变驱动熊蜂缪式拟态色多态性的适应性演化》（Genetic modification of a Hox locus drives mimetic color pattern variation in a highly polymorphic bumble bee）的研究论文。该研究揭示了一种体色多态性极高的重要传粉昆虫——短头熊蜂Bombus breviceps体色地理变异的遗传机制。

生物多样性的演化与维持机制是进化生物学研究的核心问题之一。动物的体色丰富多样、易于量化，且具有明确的生物学功能，是研究形态适应性演化机制的理想模型。熊蜂属Bombus隶属于膜翅目Hymenoptera，蜜蜂科Apidae，全球已记载约260种，是许多野生植物与温室经济作物的重要传粉媒介昆虫，在自然生态系统与农业生产中发挥着重要作用。熊蜂的胸腹节背板被长而浓密，且具有不同颜色的体毛覆盖，因而呈现鲜亮且反差强烈的体色模式（color pattern）。体色具有警戒、拟态、体温调节等功能，是对环境适应的关键特征之一。熊蜂的体色模式十分丰富，已被记录约400余种色型，呈现明显的适应性辐射，很多物种体色多态模式呈现明显的地理变异。短头熊蜂广泛分布于东洋区，包括喜马拉雅、东南亚、以及我国南方大部分地区，是我国重要的本土传粉熊蜂。该物种的体色呈现出丰富的地理变异，不同地理种群可呈现约20余种体色模式，是体色多态性最为复杂的熊蜂物种之一。同时，该物种与同域分布的三条熊蜂B. trifasciatus、红尾熊蜂B. haemorrhoidalis在体色模式上高度趋同，并呈现平行的地理变异，形成不同的地域性缪氏拟态圈（regional Müllerian mimicry complex）（图1）。但短头熊蜂体色多态性以及其与其他物种的缪氏拟态演化的遗传机制尚不清晰。

图1. 短头熊蜂及其共拟态物种的体色模式多态性与缪氏拟态

本研究聚焦短头熊蜂及其共拟态物种腹部第五节背板（T5）橙色-黑色二态性的遗传机制（图1）。1）首先采集野生短头熊蜂橙、黑表型短头熊蜂蜂王在实验室饲养，成功建立了实验巢群。2）通过对橙、黑表型种群进行遗传学杂交与并对其杂交子代工蜂的性状分离比计算，发现该二态性是由单基因座控制，且橙色是显性性状（R）、黑色是隐性性状（r）。3）通过全基因组关联分析，将该基因座定位到两个同源异形盒（Hox）基因，Abd-B和abd-A基因间隔区的一段1.4-kb区域（图2）。

图2.短头熊蜂橙-黑尾表型的全基因组关联分析

4）基于转录组与荧光定量PCR对处于毛色分化关键期的蜂蛹T5节上皮组织进行基因表达分析, 发现在色型基因座附近转录的一条长链非编码RNA，iab6-lncRNA以及Abd-B基因在体毛着色的关键发育阶段，均在橙色表型个体的体毛组织中发生了上调 (图3)。这暗示iab6-lncRNA 与 Abd-B 基因很可能受到色型基因座的控制，并调控T5节体毛在橙-黑色表型之间的分化。

图3.色型功能位点附近基因的时空表达模式分析

5）在橙色表型个体中通过RNAi在体毛着色关键期沉默iab6 lncRNA，发现 T5体节的毛色从橙色变成了黑色（图4），进一步证实了iab6 lncRNA对二态性的决定作用。 6）在具有相似橙-黑变异的三条熊蜂与红尾熊蜂中对短头色型功能位点的同源区域进行测序，研究发现该位点并不参与调控这些共拟态物种中相似的橙-黑二态性，这表明了趋同的表型演化可以通过不同的遗传变异实现。

图4.iab6 lncRNA基因沉默及其对T5节毛色的影响

该研究发现同源异形盒（Hox）基因的顺式调控区可能是熊蜂体色适应性演化的基因组热点（genomic hotspot）；长链非编码RNA（long non-coding RNA）在调控熊蜂体色变异中起到关键作用；传统上认为的不适或致死的同源异形变异（homeosis）可能在自然界广泛存在并且可能是适应性新表型产生的重要途径；快速形态适应性辐射演化可以由结构与功能上高度保守的主效基因（如Hox）的变异所驱动；在发育过程中，精确调控多效的（Pleiotropic）发育主控基因的时空表达可以在不影响整体身体结构发育的情况下，驱动局部表型的适应性变异；不同物种趋同的形态演化可以由完全不同的基因位点调控。本研究为昆虫物种多样性形成的遗传与发育机制提供了新见解。

中国农业大学植物保护学院博士生杨万虎为论文的第一作者。田里副教授为该论文的通讯作者。中国农业大学植物保护学院的彩万志教授、李虎教授、刘山林副教授、宋凡副教授、段元格副教授，北京大学生命科学学院张蔚教授，首都师范大学生命科学院孙成教授，宾夕法尼亚州立大学生物系Heather M Hines，中国农业大学植物保护学院博士生崔纪翔、硕士研究生陈宇鑫、王超、尹媛稚参与了该工作。中国农业大学植物保护学院徐环李副教授、中科院动物所朱朝东研究员和袁峰、贵州大学常志敏副教授，英国自然历史博物馆Paul Williams为被本研究提供了部分研究材料。贵州大学任昌仕在熊蜂采集和饲养过程中提供了帮助。中国农业大学植物保护学院罗诗琦副教授为本研究提供了重要建议。该研究得到了国家自然科学基金科学基金项目（32000309）、武夷山国家公园生物资源本底调查项目（HXQT2020120701）、生态环境部生物多样性调查评估项目（2019HJ2096001006）以及中国农业大学2115人才计划的支持与资助。