适应性进化的遗传基础：复杂的染色体重排驱动竹节虫的颜色变化

理解适应性进化的物质基础一直是生物学的核心目标，至少可以追溯到达尔文时代。当前争论的一个焦点是，适应性进化是依赖于许多影响较小且大致相等的突变，还是由一个或几个导致性状发生重大变化的突变驱动

染色体重排，其中大块染色体被倒置、移动、删除或复制，为这种大规模的“大突变”提供了可能的来源。然而，用常用的DNA测序方法表征染色体重排一直很困难

许多生物，包括人类，都是二倍体，这意味着它们有两套染色体——每一套来自父母。竹节虫也是如此。这使得在组装基因组时，识别物种的染色体重排具有挑战性

犹他州立大学进化生物学家Zachariah Gompert说：“过去，我们对每个染色体组的数据进行了平均，但这种方法的有限准确性并不能说明全部情况。”

“使用更新的分子和计算方法来生成分阶段的基因组组装，其中每条染色体的两个拷贝是单独组装的，使我们能够直接展示复杂的染色体重排是如何使棒虫通过在不同的宿主植物上隐蔽来适应的，从而避免捕食。”

在2025年4月18日的《科学》杂志在线版中，Gompert及其同事报告说，隐蔽颜色模式的适应性分化是由两个不同的复杂染色体重排造成的，其中数百万个DNA碱基在不同山脉的棒虫种群中独立地向后翻转并从染色体的一部分移动到另一部分

论文的撰稿人包括Gompert的长期合作者Patrik Nosil和法国国家科学研究中心（CNRS）的其他研究人员，以及来自圣母大学、内华达大学雷诺分校和英国癌症研究所的科学家。这项研究得到了美国国家科学基金会和欧洲研究理事会的支持

科学家们研究了从加利福尼亚州圣巴巴拉附近的两座山上收集的具有不同颜色图案的Timema cristinae昆虫。这种无翅、以植物为食的昆虫在沿海灌木丛栖息地对两种不同的植物有不同的适应能力。一种竹节虫的图案是绿色的，可以与加利福尼亚丁香融为一体，而另一种竹节虫的背上有一条薄薄的白色条纹，这使得它在酸橙灌木的针状叶子中几乎无法被发现

Gompert及其同事表明，这种颜色模式的适应性差异几乎完全可以用这些个体复杂的染色体重排的存在与否来解释

“这项研究中使用的新的分阶段基因组组装技术是帮助我们研究这些昆虫的颜色模式如何进化的关键部分，”南加州大学生物系和南加州大学生态中心教授Gompert说。“我们的研究结果表明，染色体重排可能比我们以前认为的更广泛、更复杂。”

他说，尽管这些突变很大，但使用传统的DNA测序方法很容易错过

Gompert说：“使用标准方法很难检测和表征染色体重排。”。“我们基本上是在探索基因组的‘暗物质’。”

他说，结构变异可能经常被用来促进进化，而不是罕见

Gompert说：“我们只是触及了表面。”。“我们缺乏检测结构变异的工具，但随着技术的改进，我们假设它在进化中起着比以前认识到的更重要的作用。”