虽然说“适千里者，三月收集粮食”，但谁也不知道帝王蝶幼虫吃的只吃一种叫“乳草”的有毒植物。 乳草分泌的毒素称为“强心类固醇”(cardenolide )，与动物体内的钠钾泵结合，量少则治疗心功能衰竭，量多则致命，人类的误食通常无条件反射呕吐。
钠钾泵顾名思义，是稳定维持细胞内外钠钾离子浓度的重要转运体，丹麦科学家斯科于1997年获得诺贝尔化学奖。 钠钾泵与强心类固醇“结合”后就不能正常工作，渗透压平衡的细胞破裂，结果有多严重。 乳草凭借这种强大的“化学武器”，驱散了瞄准自己的昆虫们。
但是没有看到帝王蝶的幼虫，吃了也没错。 帝王蝶也不能说乳草的毒素可以储存在自己的身体里。 吃饭的时间自己也有“化学武器”。 这一招捕食者们一个接一个地绕道而行，从此明亮美丽的帝王蝴蝶摇市，无所畏惧。
这是怎么做到的呢？ 本来帝王蝴蝶的钠钾泵变异了，强心类固醇就不能紧密结合了，也不会妨碍钠钾离子的正常输送。
图像： Mindy Lighthipe
前几天，加利福尼亚大学伯克利分校诺亚白人研究所和哥伦比亚大学彼得安德伯特研究所分别独立发现帝王蝶的这种抗毒性主要是三种氨基酸变异引起的，用不同的基因编辑技术秀这三种小变异两者的结果分别发表在最新一期《自然》 (Nature )和8月末的eLife上。
其实除了帝王蝴蝶，直翅目、半翅目、膜翅目、鞘翅目、双翅目、鳞翅目还进化了个别昆虫吃有毒乳草的魔法能力。 随着测序技术的发展，科学家们发现这些能抵抗强心类固醇的昆虫钠钾泵有突变，多次独立进化。 在所有变异中，111、119、122三个部位变异频率最高，受到研究者的关注。
白人集团通过Crispr-Cas9基因编辑技术构建了包括这三个部位变异的转基因果蝇。 在抗毒性的检查中，导入111变异后抗性略有增加，导入119变异后几乎没有变化，111 119双变异的抗性比111单变异强，122单变异大幅度增强了抗毒性，但111 119 122三种变异全部同时抗毒性最强
另外，白人小组对转基因果蝇进行了“癫痫麻痹”的测试。 这个实验是把果蝇放在瓶子里剧烈摇晃，记录站起恢复所需的时间，反映神经系统应对突发性机械刺激的能力。 正常的野生型果蝇振动后会马上重新站起来，但有突变的果蝇并不那么健康。 例如，平均只有122个变异的果蝇才能在90秒内恢复。 111变异的果蝇大约需要50秒钟，但野生型与119变异的果蝇没有变化。 111 119双变异和111 119 122三变异的果蝇群内差异较大，但平均接近正常野生型果蝇。
这与迄今为止发表的仙女组的研究结果一致。 他们的研究范围涵盖了所有吃乳草的昆虫，通过attP基因编辑技术在所有这三个部位都构建了常见的变异。 结论是一致的。 也就是说，如果向具有111和122个部位的单一变异的果蝇导入原本不抗毒的119变异，果蝇的抗毒能力将大幅增加，同时也将增强应对外部刺激的能力。 另外，仙女座组同时检测出了同性恋果蝇和异果蝇。 突变最初出现在二倍体时一定是异质状态，因此异质体的评价可以更准确地知道抗毒性出现的进化途径。
基因表达检查显示，异果蝇中变异钠钾泵和正常钠钾泵的表达量没有差异。 变异钠钾泵的抗性显著增加，纯抗性高于异质结。 在“癫痫麻痹”测试中，纯化比杂合需要更长的恢复时间。
总结起来，122个部位的变异毒性强，但副作用也最强。 119位点的变异不是抗毒，但也没有副作用。 111位点的变异介于两者之间。 因此，估计111和119上的突变共同进化，122上的突变之后出现。 这也符合系统发生上我们看到的规律：许多食用乳草昆虫同时具有111和119个部位的变异，具有122个变异的生物，通常也具有111和119个变异。
另外，单一突变出现后立即以异质结的形式存在，避免强烈的副作用。 在后续突变相继减弱副作用之前，同质接合体逐渐占优势固定突变。 沿着这样的路径，无法抵抗乳草毒的果蝇，虽然不会一步一步地失去钠钾泵的功能，但成为了与帝王蝴蝶的抗毒能力无法相比的“帝王苍蝇”。
这两项研究首次通过基因编辑在多细胞生物体内再现进化途径，证明了路径的选择非常有限。
首先，在钠钾泵中，由于与强心类固醇接触的部位数量有限，因此只有在这些接触部位出现随机变异的情况下，才会发生抗毒性的变化。 其次，大部分变异都是有害的，比如降低钠钾泵本身的生产率，引起神经和行为上的异常，这样的变异就会被淘汰。 最后，这两个研究表明，突变的顺序也很重要。 例如111和122两个部位的变异可以使昆虫获得强大的抗毒能力，但也影响了它们的神经系统，119个部位的变异缓和了这种副作用，111和122上的变异“暗度陈仓”以漫长的历史和强大的选择压力保存下来。 总之，这些因素限制了进化的速度，但同时构成了整合进化的遗传基础。
哈佛大学生物进化生物学教授霍皮胡克斯特拉称赞这两项研究“最近最享受”“完全美丽的故事”“真正再现了进化的历史”。 芝加哥大学生态进化系副教授马库斯克罗恩福斯特在《科学》杂志的采访中说“令人钦佩”“很少研究通过在其他物种上再现某种形式来证明突变的作用”。
迄今为止，进化学家们通常着眼于现有的生物，这两项研究通过基因编辑研究突变之间的相互作用，让人们一步一步地复原可能性最高的进化轨迹。
