弱自然选择下蛾类黑化的遗传进化机制：茶尺蠖黑化位点解析揭示非适应性表型多样性形成新路径

《National Science Review》：The genetics and evolution of moth melanism in the absence of strong natural selection

本研究针对茶尺蠖（Ectropis grisescens）体色黑化现象，在缺乏强自然选择（如伪装优势）的生态背景下，通过遗传连锁定位与群体基因组学分析，发现其黑化表型受控于一个500-Kb的“黑化位点”（melanism locus），该区域与远缘英国蛾类工业黑化的cortex位点同源。功能验证表明保守microRNA mir-193为关键效应因子，其在蛹期通过调控黑色素合成决定黑化表型。野外调查显示黑化型虽为显性性状，却在种群中占比低（1.3%~34.0%），且存在生殖劣势，表明该位点的高变异特性可能通过非适应性进化反复产生表型多样性。本研究为理解生物多样性形成提供了新的进化视角。

　　

在进化生物学中，蛾类的黑化现象一直被视为自然选择的经典案例。其中最著名的当属英国椒花蛾（Biston betularia）的工业黑化：工业革命期间，树干被煤烟污染变黑，原本常见的浅色型（typica）蛾类因容易被天敌发现而减少，黑色型（carbonaria）则因伪装优势迅速扩散。这一现象完美印证了达尔文“适者生存”理论。然而，在自然界中，黑化现象是否总是由强烈的自然选择（如伪装需求）驱动？当缺乏明确的选择压力时，黑化性状又如何演化？茶尺蠖（Ectropis grisescens）为解答这一问题提供了独特模型。

茶尺蠖是亚洲茶园的主要害虫，其自然种群中存在黑色与灰色两种体色型，与英国椒花蛾的多态性相似。但两者的生态背景截然不同：茶园中的茶树多为密集灌木，树干被枝叶遮蔽，蛾类停歇时体色难以被天敌视觉识别，因此黑化可能不具备明显的伪装优势。这种“弱选择”场景为研究黑化现象的进化机制提供了新契机。发表于《National Science Review》的这项研究，通过整合遗传学、生态学与功能实验，揭示了茶尺蠖黑化性状的遗传基础及其在自然种群中的演化动态。

研究人员首先通过杂交实验确定黑化性状为常染色体显性遗传。利用回交群体（BC1）进行混池分离分析（BSA），将黑化位点定位至第17号染色体上一个500-Kb的区间，该区域与英国椒花蛾工业黑化的“cortex位点”同源。进一步对五个地理种群的基因组分析发现，不同种群的黑化由该位点内独立起源的突变所控制，表明该区域是一个高度变异的“热点”（hotspot）。功能实验表明，位于parn基因下游的microRNA mir-193是黑化的关键效应因子，其表达在黑化型蛹期显著上调，而CRISPR/Cas9敲除mir-193导致黑化表型几乎完全消失。相反，对蛋白编码基因cortex和parn的功能验证未发现其与成虫色素沉积的直接关联。

野外调查显示，尽管黑化型为显性性状，其在所有种群中均占少数（最高34.0%），且比例随纬度升高（温度降低）而下降。繁殖实验表明，黑化型在22°C和25°C下的后代数量显著低于灰色型，仅在27°C时无显著差异，提示黑化型存在生殖劣势。这种劣势可能部分解释了其在种群中的低频率。综合遗传与生态数据，研究提出：cortex位点的高变异特性为黑化性状的反复出现提供了遗传基础，而在缺乏强选择压力时，微小的生殖劣势等非适应性因素可能共同塑造了表型多样性格局。

主要技术方法

研究团队通过构建茶尺蠖回交群体（BC1）进行基于测序的混池分离分析（BSA），结合群体基因组学方法对五个地理种群的80个个体进行全基因组关联分析（GWAS）。功能研究采用CRISPR/Cas9基因编辑技术对cortex、parn、mir-193及ivory启动子进行敲除，并通过RT-qPCR分析基因表达动态。野外数据涵盖14个茶园点的体色频率调查，并结合气象数据分析温度与黑化比例的关系。

黑化位点在茶尺蠖蛾中的特征

通过杂交实验发现，黑化性状符合单基因显性遗传规律。BSA分析将位点精确锁定至染色体17上4.0–4.5 Mb区间，该区域包含cortex等7个注释基因，且黑化个体在此区间呈杂合状态。k-mer分析进一步发现黑化型特异序列集中于parn基因的内含子区域，提示该热点存在结构变异（SV）。

不同茶尺蠖种群黑化的独立起源

种群遗传分析显示，东部（临安、象山、上虞、龙游）与西部（铜仁）种群在黑化位点内关联信号位置不同：临安种群信号集中于parn附近，而其他种群信号偏向cortex下游。等位基因共享分析（ABBA-BABA）表明东部黑化型个体在黑化位点遗传多样性更低，支持独立起源假说。

cortex和parn与茶尺蠖黑化关联证据不足

表达谱显示cortex表达量低且无规律波动；parn在灰色型蛹中后期显著上调，与其可能参与去黑化的假设矛盾。CRISPR敲除cortex导致胚胎致死，而过表达仅引起幼虫暂时性黑化；parn敲除则出现局部色素减少，表型与mir-193敲除不一致。

Mir-193是茶尺蠖黑化的可能调控因子

Mir-193在黑化型蛹期表达显著高于灰色型。敲除其Drosha和Dicer加工位点后，超过半数突变体出现全翅色素缺失。同源ivory转录本表达模式与mir-193相似，但其启动子敲除表型较弱，提示mir-193为核心效应因子。

茶尺蠖黑化的潜在选择劣势

黑化型在自然种群中占比低，且比例与累积温度呈正相关。繁殖实验表明，在22°C和25°C下黑化型后代数量显著少于灰色型，仅在27°C时无显著差异，表明黑化型存在温度依赖的生殖劣势。季节性调查未发现黑化比例显著波动，降水也无显著影响。

结论与讨论

本研究系统揭示了茶尺蠖黑化性状的遗传基础与进化机制。首先，黑化由cortex位点内mir-193调控，该效应因子在昆虫中保守，提示黑化可能是祖先状态，而灰色型则通过该热点区域的反复突变丧失色素沉积能力。其次，在缺乏强自然选择（如视觉伪装）的生态背景下，黑化型因生殖劣势被限制在较低频率，但高温可能缓解此劣势。最后，cortex位点的高变异特性使其成为表型创新的“燃料”，既能驱动适应性进化（如工业黑化），也能通过非适应性过程促进多样性形成。这一发现拓展了对生物多样性演化机制的理解，强调遗传热点在表型反复出现中的核心作用。