鳞翅目昆虫翅膀与腿部近端 - 远端发育基因表达的比较及进化机制

《EvoDevo》：Parallels in leg and wing proximal-distal patterning in Diptera and Lepidoptera

　　

摘要

昆虫的翅膀和腿部都是具有近端-远端（PD）轴的附肢，这种轴在发育过程中会形成特定的图案，这一过程很可能通过某种共同的机制实现。在果蝇（Drosophila melanogaster）中，对这两种附肢的比较已经进行了详细研究；在该物种中，这两种结构的最初发育阶段都是以“想象盘”（imaginal discs）的形式存在的。在这里，我们观察并比较了鳞翅目昆虫Bicyclus anynana的胚胎期腿部和幼虫翅膀中一些重要的PD发育基因的表达情况。我们研究了12个负责附肢图案形成的基因，这些基因可以将腿部划分为远端、中部或近端区域（homothorax, extradenticle, teashirt, dachshund, Distal-less, spineless, rotund, bric-à-brac, Bar, aristaless, Lim, apterous），以及两个在腿部和翅膀初始分化后进一步塑造PD轴的基因（fringe, brother of odd with entrails limited），还有三个形态发生基因（wingless, decapentaplegic, vein）。我们的研究结果显示，这两种附肢在PD基因表达的顺序上高度一致，这为翅膀进化过程中腿部PD图案形成机制的部分借用提供了证据。值得注意的是，在Bicyclus anynana的翅膀中，中部区域明显缺失，这一现象通过dachshund基因表达的缺失得到了验证（这一现象在果蝇中也有观察到）。与果蝇的进一步比较还揭示了一些保守的调控机制以及特定于不同进化支系的调控结构。这些发现表明，Mecopterida类昆虫中的PD图案形成逻辑具有高度的保守性，同时也指出了一些不同的机制，这些机制可能促进了昆虫翅膀的形态创新。