上圖：蝴蝶是地球上生物多樣性最豐富的類群之一，它們以其絢麗多彩的翅膀、多樣的形態和復雜的行為而聞名。全球已知的蝴蝶種類超過18000種，分布在除南極洲以外的所有大陸。它們在生態系統中扮演著重要的角色，是重要的傳粉者，也是食物鏈中的一環。蝴蝶的多樣性不僅體現在物種數量上，還體現在它們的棲息地、食性和生活習性上，從熱帶雨林到高山草甸，從沙漠到濕地，都能看到蝴蝶的身影。它們的多樣性也反映了地球上生物進化的奇妙歷程。上圖是蝴蝶的生物多樣性科普。攝影?Linda Wong | 綠會融媒·海洋與濕地

蝴蝶這些翩翩起舞的精靈，有著絢麗的翅膀、復雜的行為，吸引著無數科學家。在動物行為進化研究中，科學家們面臨著遺傳變異如何轉化為神經回路改變、進而影響行為的難題，尤其在求偶行為的神經機制方面存在知識空白。“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，2025年3月11日，一項發表在《公共科學圖書館·生物學》上的最新研究，揭示了蝴蝶求偶行為背后的遺傳、發育和神經機制，為我們理解動物行為的進化提供了新的視角。

這項研究聚焦于新熱帶地區的袖蝶屬（Heliconius）蝴蝶，尤其是其中的環紋袖蝶（Heliconius cydno）分支。袖蝶屬（學名：Heliconius，英文俗名：Longwing, Passion-flower butterfly）是蛺蝶科釉蛺蝶亞科中的一個屬，它們廣泛分布在美洲的熱帶及亞熱帶地區。這些蝴蝶的翅膀顏色不僅是它們躲避天敵的偽裝，也是它們選擇配偶的關鍵信號。雄性蝴蝶通常偏愛與自己翅膀顏色相同的雌性，這種偏好確保了物種的延續。不過，科學家們一直也很好奇——這種求偶偏好是如何在基因層面被調控的，又是如何通過神經系統實現的呢？

該研究團隊首先利用全基因組關聯分析（GWA），尋找與雄性求偶偏好相關的基因變異。他們發現，與求偶偏好關聯最強的變異，都集中在控制翅膀顏色的“K”基因座附近，這與之前的研究結果相符。換句話說，控制翅膀顏色的基因，也直接影響著雄性的求偶偏好。

【研究方法與主要發現】

基因組關聯分析（GWA）
該研究團隊在H. cydno斑蝶種群中進行全基因組關聯分析，發現與雄性擇偶偏好最強相關的遺傳變異位于K基因座（K locus），該基因座已知控制翅膀顏色。這一發現支持了先前的遺傳圖譜研究，表明控制顏色的基因與擇偶行為基因之間存在緊密的遺傳連鎖關系。

基因表達分析

研究人員通過RNA測序（RNA-seq）分析了發育過程中不同時間點的基因表達情況，結果顯示，在GWA分析發現的關鍵基因區域附近，有7個基因在蝴蝶的眼睛、視覺葉（optic lobes）和中樞大腦中存在差異表達。這些基因大多參與突觸連接的發育和維持，表明擇偶行為可能受到視覺神經回路發育的影響。

光感受器電生理特性
研究團隊發現，黃色和白色翅膀的H. cydno雄性蝴蝶在視覺系統上存在顯著的生理學差異。單細胞電生理記錄顯示，某些紫外（UV）感受器受長波光感受器的抑制效應影響，而被抑制的紫外光感受器比例與雄性蝴蝶的翅膀顏色密切相關。這一差異可能影響初級視覺信息的處理，進而影響求偶決策。

為了進一步探究這些基因如何影響神經系統，研究人員在蝴蝶發育的不同階段進行了RNA測序，分析了眼睛、視葉和中樞大腦中的基因表達。他們發現，在“K”基因座附近，有七個基因在白色和黃色翅膀的雄性蝴蝶中表達差異顯著。這些基因大多與突觸連接的發育和維持有關，這表明求偶偏好的差異可能源于視覺系統中突觸連接的差異。

更令人驚訝的是，研究團隊通過單細胞電生理記錄，在雄性蝴蝶的視覺系統中發現了一個顯著的生理差異。他們發現，一些對紫外線（UV）敏感的光感受器（PR）受到了長波長光感受器的抑制。而且，這種抑制的比例與雄性蝴蝶的翅膀顏色高度相關。黃色翅膀的雄性蝴蝶，其紫外線光感受器受到抑制的比例更高。

環紋袖蝶屬的翅膀顏色模式與視覺求偶行為。(A) 環紋袖蝶復合群及其姐妹類群黑脈袖蝶。(B) 雄性求偶偏好，即雄蝶對白色雌蝶求偶的比例，每個點代表一只雄蝶的偏好，紅點為平均值。(C) 袖蝶視覺系統對翅膀顏色的感知與結構，光線通過視網膜中數百個小眼進入，經過視葉多層傳遞至中樞大腦。(D) 眼睛由小眼組成，每個小眼包含九個光感受器（左），不同小眼類型由R1和R2細胞的視蛋白表達模式定義（右）。R1/R2軸突繞過板層（LA）直接投射到髓質（ME），而R3-8僅投射到板層，并可與R1/R2軸突形成光感受器間突觸連接。(E) 白色和黃色環紋袖蝶翅膀的光譜反射率主要在紫外線區域存在差異。
這一發現表明，求偶偏好的差異可能源于視覺處理早期階段的差異。紫外線光感受器抑制的程度，可能直接影響著雄性蝴蝶對雌性翅膀顏色的感知，進而影響它們的求偶決策。

研究人員推測，“K”基因座的基因變異，可能通過影響光感受器之間的抑制連接，從而改變雄性蝴蝶的視覺處理方式。這種改變可能使得黃色翅膀的雄性蝴蝶對黃色雌性更加敏感，而白色翅膀的雄性蝴蝶則對兩種顏色的雌性都表現出相似的興趣。

環紋袖蝶（Heliconius cydno）的腹面圖。本圖展示了環紋袖蝶的翅膀腹面，拍攝于中美洲圣路易斯動物園的孟山都昆蟲館。攝影：羅伯特·勞頓（2006年拍攝）

這項研究不僅揭示了蝴蝶求偶行為背后的遺傳和神經機制，也為我們理解動物行為的進化提供了新的思路。它表明，外周神經系統的變化，如光感受器之間的抑制連接，可能在行為進化中發揮重要作用。結合基因組學、轉錄組學和神經生理學等多種方法，人類可以更深入地理解基因變異如何影響神經系統，進而影響動物的行為。

當然，這項研究也留下了一些問題。例如，究竟是哪些基因調控了光感受器之間的抑制連接？這種抑制連接是如何影響下游視覺處理的？未來的研究將需要進一步探索這些問題，以更全面地理解蝴蝶求偶行為的奧秘。

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資訊源 | PLoS Biol
編譯 | 王芊佳
編輯 | Linda
排版 | 綠葉
參考資料略

來源: 海洋與濕地