鳞翅目昆虫，也就是我们常见的蝴蝶和飞蛾，是自然界中最美丽多彩的生物之一，它们的染色体也有着各种各样的变化，这些变化可能影响了它们的物种形成、雌雄差异和性别决定。浙江大学昆虫所的李飞教授团队，利用超过180个鳞翅目昆虫的染色体水平基因组，揭示了鳞翅目染色体演化的复杂历史，为我们理解这些奇妙的生物提供了新的视角。近日，研究成果“Unraveling the complex evolutionary history of lepidopteran chromosomes through ancestral chromosome reconstruction and novel chromosome nomenclature”在线发表于国际知名生物学期刊《BMC biology》。
图1 鳞翅目系统发育树和新的染色体命名法则
李飞教授团队首次重建了鳞翅目祖先染色体结构，证实了鳞翅目祖先有31条染色体，其中一条是Z染色体。他们还提出了一种基于染色体同源性的全新染色体命名系统，将现存的染色体按照它们与祖先染色体的关系进行了重新命名，这样可以更方便地研究染色体的演化过程。
图2 Z染色体在重排和基因进化中的独特模式
该研究发现，鳞翅目染色体经历了大量的融合和分裂事件，导致不同物种的染色体数目和结构发生了巨大的变化。这些变化与染色体的长度、GC含量和转座子的富集有关，可能促进了鳞翅目的物种分化。与常染色体相比，Z染色体表现出独特的演化模式，包括更快地丢失祖先基因、更快地积累物种特异性基因、更慢的基因复制速率、以及更多地发生染色体融合事件和更少地发生染色体分裂事件等特征。
研究人员还对来自16个科的67种鳞翅目昆虫的W染色体进行了分析，发现这些W染色体可能源自同一个祖先W染色体，而且有些W染色体通过水平基因转移融合了细菌基因组，这些来自细菌的基因可能参与宿主的性别决定和对环境挑战的适应。
图3 Geminin在鳞翅目和其他目昆虫中的位置和表达
此外，该研究还检测到超过3500件染色体间基因移动事件，这些事件在不同物种之间表现出显著的特征差异。最引人注目的是，Geminin基因在约1.42亿年前从10号染色体转移到了Z染色体上，导致家蚕和帝王蝶中该基因的雄性偏向表达，并与家蚕体型的性别二态性相关。而在果蝇、按蚊、豌豆蚜等具有XY性染色体系统的昆虫中，Geminin表现出雌性偏向的表达。
这项研究为我们揭示鳞翅目昆虫染色体演化和性别决定的重要机制提供了宝贵的资源和线索。研究成果为进一步探索生物遗传学和进化提供了重要支持，也为未来农业、医学等领域的应用研究提供了新的方向和可能性。
浙江大学为该研究第一完成单位，浙江大学李飞教授为通讯作者，浙江大学博士生陈曦为第一作者，浙江大学研究生王作奇、张超维、胡竞衡、陆月琪、梅洋、国芳媛、浙江大学周行博士、丛宇阳博士等参与了工作，浙江大学贺康副研究员、王亚琴副研究员和云南省农科院刘莹副研究员对本研究提供了支持，本研究得到国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目，浙江省自然科学基金项目，国家科技基础资源调查计划项目的资助。