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神奇的扁萤
2022-01-27 | 作者:李学燕,董志巍 | 来源:进化基因组学与基因起源 | 【小  大】【打印】【关闭】
    萤火虫是最著名的陆生发光生物。“萤火虫,慢慢飞;夏夜里,风轻吹……”,这样的曼妙场景,是出生于上世纪六、七十年代的人们儿时记忆里一幅普通画面。如今,人们总在感叹萤火虫已离我们远去,它们或存在于记忆中或仅见于电视上。
  萤火虫对生存环境的要求较高,仅在绿水青山的环境下才能很好地生存,而农药的使用、自然植被的破坏及城市化进程中的光污染,确实迫使萤火虫离我们越来越远。
  这听起来确实有些令人悲伤,但在全世界8亚科约100属2000多种萤火虫种类中,还有那么一类萤火虫,它们并没有因城市化而逃之夭夭,在城市中心的公园、校园和住宅小区的绿地,乡村的房前屋后,依然可以见到它们的身影。它们一直在尝试着与人类和谐相处。这类神奇的萤火虫便是扁萤。
  

 

  

 

  正在发光的扁萤,上图为雄成虫,下图为雌成虫(董志巍 摄)
    多年来,终于能叫出扁萤们的名字!
  扁萤是指萤科(Lampyridae)扁萤属(Lamprigera)萤火虫的统称。它们仅分布在亚洲东喜马拉雅山脉周边及东南亚国家,而生物多样性丰富的云南正处于这一分布区域的中心。
  它们雌雄二型,即雄成虫与雌成虫表现出不同的外形。雄虫有黑色的鞘翅;一块大的前胸背板,休息时将头完全遮住;头上有一对大大的复眼,一对极短的触角;腹部腹面第7可见腹节(即第8腹节)上有一对白色的发光器官,可发持续绿色光。雌虫完全无翅,为白白胖胖的幼虫状,在腹部第8腹节上有一对发光器官,也可发持续绿色光。幼虫身体扁平,全身黑色或有棕黄色条纹,体型通常很大。
  

 

  云南扁萤的背面,雄成虫(左),雌成虫(中)和幼虫(右) (董志巍 摄)
    扁萤属在2020年前报道有17种。美高梅赌堵58588cc李学燕及团队,自2002年开始研究萤火虫,期间收集了一些扁萤标本,包括一些雄成虫、雌成虫和大量幼虫,然而,由于这类昆虫相同虫态的外形十分相似,加之已报道种类的模式标本大都收藏于法国等欧洲博物馆而一直没机会检视,因此,长期以来,研究人员也傻傻地分不清它们谁是谁和叫什么名字。
  基于长期的标本积累,借助DNA barcoding技术,研究团队通过对中国不同种群的标本进行了分子系统发育和形态分析,并与香港同行检视的模式标本进行形态比较,惊奇地发现这些看似都一样的扁萤标本中包括三个新种(Lamprigera alticola Dong & Li, 2021高山扁萤, Lamprigera luquanensis Dong & Li, 2021禄劝扁萤,Lamprigera magnapronotum Dong & Li, 2021巨胸扁萤)、四个中国新记录种(Lamprigera minor (Olivier, 1885)小扁萤、Lamprigera morator (Olivier, 1891)扇窗扁萤、Lamprigera nepalensis (Hope, 1831)尼泊尔扁萤、Lamprigera nitidicollis (Fairmaire, 1891)光亮扁萤)和一个中国已报道种类(Lamprigera yunnana (Fairmaire, 1897)云南扁萤) (Dong et al., Zootaxa, 2021, 4950(3): 441–468)。
  该研究结果使得该属目前全世界增加到了20种,中国种类也从原有4种增加至11种。这些研究结果不仅为今后该属的种类鉴定及其它生命现象的研究提供了重要的参考,而且也表明云南丰富的萤火虫物种多样性。
  

 

  近期在云南发现的3个新种和4个中国新记录种(Dong et al., 2021)
    终于知道怎样才能抓住扁萤!
  与其它类群的萤火虫一样,扁萤成虫发光主要作为交配求偶信号,而幼虫的发光主要作为警戒信号。不过,与通常想象中炎炎夏夜一闪一闪的萤火虫不同,扁萤的各虫态都发绿色持续光。非常有趣的是,雄虫在飞行时并不发光,他们总会睁着一双大眼睛,悄悄地在黑暗中飞行,寻找自己心仪的雌性伴侣,当发现自己心仪的对象并离得足够近时,他们才打开自己的灯泡告之伴侣“我到了”。相比于雄虫,雌虫找对象较被动,她们会躲在草丛或近草丛的某个角落,翘起尾部露出亮亮的灯泡,向在黑暗中飞行的雄虫发出“我在这里”的信号。
  研究人员早期主要根据萤火虫发光对其定位进行直接观察或采集,然而这样的方法遇上具有特殊发光行为的扁萤类,显然不奏效。因此,早期对扁萤特别是作为分类虫态的雄虫标本,收获甚少,这种情况从研究团队检视过的国内各研究所和院校的萤标本收藏中也反映出来。
  研究团队在与日本同行的交流中,得知日本同行通常用红色波段的光对发绿光的窗萤类进行诱集,但因日本并无扁萤的分布,因此,并不确定此方法对扁萤是否有效。研究团队尝试了用红色LED灯对扁萤进行诱集,在天刚擦黑时,把红色LED灯放置在草丛附近并静静地等候,便会发现不知打哪儿来的扁萤雄虫,会突然出现在灯的周围并小心地打开它自已的绿灯,一旦发现为之而来的红光并非雌虫时,便会迅速地逃离,当然,要逃离研究人员的视线并不是一件容易的事。自从采用这个方法,研究团队收集到了大量的雄虫标本,物种分类的工作也才得以推进。
  幼虫喜欢生活在食物充足的荒地和林间,研究人员发现它们特别喜欢在雨后放晴的夜晚遛达到路边寻找蜗牛蚯蚓等食物。熟知这一习性后,研究人员也在那样的夜晚那样的场所收获了不少幼虫标本。在昆明,在市区的公园、校园和一些住宅小区内夜晚时不时都会遇到遛达的扁萤幼虫。曾经有一次,甚至白天在一个城中村的一个体育训练场内都遇到了它。研究人员曾经对云南扁萤幼虫进行饲养,发现这类昆虫食性很杂,除了取食蜗牛蚯蚓等食物,在实验室饲养环境下它们甚至还吃从市场里买回来的猪肉。
  

 

  左图为红灯诱集扁萤雄虫,右图为聚集在一起的云南扁萤幼虫(李学燕 摄)
  
    扁萤为什么发绿光? 
  萤火虫发光的形态学是身上的发光器官(灯泡),生物化学基础是其中所含的底物荧光素被荧光酶催化,所生成的氧化荧光素从不稳定的高能量状态回到稳定的低能量状态时,释放能量从而发光。编码荧光酶蛋白的基因即荧光酶基因(Luciferase gene),现已成为分子生物学和生物医学研究中的重要的报告基因。发光的色彩与亮度与荧光酶的特征有关。
  为了探讨扁萤发光的生化基础,研究团队以云南扁萤作为代表,克隆并分析了其荧光酶特征。其荧光酶有551个 氨基酸,与萤亚科的种类序列相似性(72%–77%)高于与熠萤亚科(68%–71%)。体外重组的荧光酶蛋白在pH7.8时具有最大活力,发光波长为566 nm (绿光),但在酸性环境中具有红移现象。在37 °C具有最高活力,而在55°C则完全失活。
  

 

  云南扁萤的荧光酶在不同pH条件下的发光光谱(Liu et al., 2019)
    扁萤到底是谁家的孩子?
  扁萤因其外形及发光习性一直被认为是萤亚科(Lampyrinae)中的一员。确实,从其外形和发光习性,这样的归属显然没有问题。然而,分子数据所展现出来的结果完全打乱了研究人员的传统认知。以云南扁萤作为代表种类,研究团队早在2006年基于线粒体16S标记构建系统发育树时就发现,扁萤的演化地位与萤亚科相差很远。
  2019年,研究团队继续解析了云南扁萤线粒体基因组并结合核基因组的核糖体基因进行了全面系统的系统发育分析时发现,较之于萤亚科,扁萤实际与闪闪发光的熠萤亚科有更近的亲缘关系。
  研究团队2020年完成云南扁萤的参考基因组解析,基于全基因组的数据的系统发育研究表明,与来自线粒体基因组的研究结果一致,扁萤确实与熠萤亚科有着更近的关系。这些数据表明,在萤火虫物种演化历史中,这些仅分布于东喜马拉雅山脉周边的扁萤处于特殊的演化地位。
  

 

  
分子系统树显示扁萤(Lamprigera)与熠萤亚科更近的关系,左图为线粒体基因组和核rDNA树(Chen et al., 2019),右图为全基因组系统发育树(Zhang et al., 2020)
    扁萤为什么为此神奇?
  分布于东喜马拉雅山脉周边的扁萤为什么如此神奇?一个物种的进化与发育的代码都写在其基因组的遗传信息中。为了深入探讨扁萤的神奇,研究团队于2017年利用流式技术测定了云南扁萤及同属另外两种(Lamprigera nepalensis (Hope, 1831); Lamprigera nitidicollis (Fairmaire, 1891))及其它属萤火虫的基因组大小,发现神奇的扁萤具有萤火虫中较大的基因组。
  进一步对云南扁萤的参考基因组解析和分析发现,扁萤的较大基因组起因于所含的较高比例的重复序列(达全基因组的67%),特别是其中的DNA转座子(DNA transposons) (达全基因组的35%)和长分散的核元件(Long interspersed nuclear elements (LINEs))(达全基因组的15%)。当然,这些特殊的基因组结构是否及如何促使了扁萤神奇的习性和特征,仍需进一步探讨。
  

 

扁萤具有较大的基因组,左图为流式技术测定C值(Liu et al., 2017),右图为对基因组重复序列分析结果(Zhang et al., 2020)
    扁萤的神奇,将继续吸引着研究者们
  美高梅游戏官方版美高梅游戏官方版的研究团队此次在云南发现的3个新种以及4个中国新记录种,把这类长期以来静静地居住于东喜马拉雅山及周边国家和地区的神奇的扁萤再次带入同行和大众的视野。
  美国著名的萤火虫研究者 Branham博士在给研究人员的邮件中写到“扁萤是如此酷的一个甲虫属!我真的高兴你们发表了如此好的一项研究!这是一个非常重要的贡献!” 。美国另一位著名的萤火虫研究者同时为IUCN-SSC萤火虫专家组联合主席的Lewis教授则在邮件中写到:“祝贺这项新的发现——扁萤(Lamprigera)现在是我最喜欢的一类萤火虫”。
  美高梅赌堵58588cc的研究人员将在揭秘扁萤神奇的道路上继续前行。他们相信,更多的扁萤新种将可能在中国及周边国家被发现,他们也将从物种多样性与保护、生态、遗传资源等多层次继续探讨和揭示这类萤火虫及其生物荧光的演化。
  致谢:
  萤火虫等发光甲虫的分类及生物荧光起源与进化研究得到了国家自然科学基金委面上项目(31472035)、云南省科学技术厅面上项目(2014FB179)和美高梅游戏官方版“西部青年学者”项目(A类)和美高梅游戏官方版热带森林生态学重点实验室(09KF001B04)等项目的资助。
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