作者 | 李晨陽

2014年1KITE項目成果登上《科學》封面

2010年，周欣從加拿大回到祖國，聯合多位國際知名學者，共同放飛了一架“風筝”。

9年過去了，周欣的身份已從深圳國家基因庫執行主任變為中國農業大學教授，而這架“風筝”仍在繼續翺翔，載着1456種昆蟲、3000萬個基因、4.5 TB數據和100多位科學家的心血與期望。

這架“風筝”的英文縮寫是“1KITE”，全稱為“1000 Insect Transcriptome Evolution”（“千種昆蟲轉錄組演化”研究項目）。

項目聯盟彙集了來自10個國家近20家單位的百餘名科研人員，專業背景涉及昆蟲學、基因組學、分子生物學、形态學、古生物學、分類學、胚胎學以及生物信息學等方向。

這麼龐大的科研項目，究竟在做什麼呢？

問一個宏大的問題

周欣說：“我們想要回答的，是一個非常基礎，也非常宏大的命題：昆蟲是從哪裡來的？現生昆蟲類群之間的演化關系是怎麼樣的？”

“脫離了演化的框架，生物學中的一切發現都将失去意義。”著名遺傳學家杜布贊斯基的這句話，數十年間被演化生物學領域的學者反複引用。

如果把“演化的框架”具象化，那就是一棵枝繁葉茂的“生命之樹”，每個葉片代表一種或一類生物，分支的形狀和相對位置，簡明地重現它們的演化曆程和親緣關系。

演化樹為生物學研究提供了地圖和骨幹。

“果蠅你知道吧？一類重要的模式生物。”周欣向《中國科學報》解釋，“基于果蠅的研究已經斬獲了6項諾貝爾獎，但是這些成果究竟有多大的普适性，對人類來說又有多少借鑒意義呢？除非你把果蠅放在演化樹準确的位置上，否則你無法回答這些問題。”

隻有在演化的大框架下，人們才能知道，一種生物所具備的表型特征、基因功能、信号通路等，哪些是少數物種特有的，哪些在演化史上是保守的。

科學家們進而才能判斷，特定科學問題應該選擇哪種生物作為研究對象。

正如本項目發起人之一、德國柯尼希博物館的教授Bernhard Misof所說：“我們隻有在構建了可靠的昆蟲系統發育關系之後，才可能開始了解昆蟲的物種多樣性及其在生态方面的重要性。”

“每一個類群及其具體的科學問題，都是生命之樹上的一塊血肉。像1KITE這樣的科學項目，為昆蟲研究者的工作提供了一副骨架，讓具體的科學問題在上面各安其位，而不是散落一地。這對系統的研究工作非常重要。”未參與該項目的中科院動物所研究員朱朝東對《中國科學報》說。

為什麼需要100多位科學家？

“這個項目開始時，沒有人知道我們最終能否成功。”周欣說。

因為描繪演化的框架，的确是一項繁複浩大的工程，尤其你面對的是昆蟲——世界上最大的生物類群。

全世界已知的昆蟲近100萬種，約占所有已知物種的2/3。

在4億到5億年的漫長時光中，昆蟲經曆過數次大滅絕的沉寂，以及沉寂過後突如其來的物種大爆發。這些都讓它們的演化曆程更加複雜、更加撲朔迷離。

一方面，由于特殊的身體結構等因素，演化早期的昆蟲要形成化石并保留下來，比脊椎動物更加困難，在化石上留存的信息也存在局限性。

對那些已經滅絕的昆蟲物種來說，可用于構建演化關系的形态特征比現生種類少了許多。

另一方面，解析古老的快速演化事件需要海量的基因數據，從1000多個昆蟲物種中産生的3000萬個基因，是迄今為止全球最大的昆蟲基因數據集。

究竟怎麼處理這些數據，對研究者的硬技術和軟實力都提出了挑戰。

“在項目的準備階段，我們就已經認識到，當時開發的軟件不足以用來分析這樣的海量數據。”德國海德堡理論研究所教授Alexandros Stamatakis說。

這些數據輸入到現成的軟件中，電腦會直接崩潰，因此需要針對昆蟲大數據研發新的算法和軟件。

經過理性評估，科學家們決定将最初定位的昆蟲基因組研究改為昆蟲轉錄組研究。

與基因組測序以DNA為實驗材料不同，轉錄組測序的研究對象是編碼區DNA所能轉錄出來的RNA。這樣就能獲得含有昆蟲遺傳信息的編碼基因序列，用于構建昆蟲演化樹，同時也大大減少了測序和後期分析的工作量。

即便如此，當時做一個轉錄組測序就要花費兩三萬元，這樣一個投資巨大的項目，在不少國内外同行眼裡，無異于天方夜譚。

研究者要面對的挑戰不止于此。

由于RNA遠比DNA脆弱，在一般儲存條件下會很快降解，因此他們不能依靠各個研究機構庫存的标本，必須到全球各地去采集最新鮮的樣本。

“這項工作相當不容易。”朱朝東說，“因為一些在進化曆程上占據關鍵位置的重要物種，要麼數量很稀少，要麼分布區域或生境很特殊。一般研究者很難找到，隻能依靠長期開展這些類群分類學研究的專家才能獲得珍貴的标本和樣品。”

為此，周欣面向全世界征集合作者，尋找那些對特定昆蟲類群最熟悉的研究人員。

一個又一個專家陸續加入1KITE項目聯盟，有的下潛入墨西哥灣，在淡水與海水過渡的水域搜尋現生昆蟲的最近外群——槳足類甲殼動物；有的到南非人迹罕至的山頭尋找螳蟲修目的奇特昆蟲；有的則曆經千辛萬苦在俄羅斯西伯利亞采集到了無數學者夢寐以求的蛩蠊……

“這就是為什麼我們需要100多個科學家的原因。”周欣笑道。

中國科學院動物研究所研究員白明在俄羅斯西伯利亞無人區采集到西蛩蠊屬标本，為1KITE項目提供了關鍵類群的數據支持。白明供圖

揭開4億年的秘密

2014年11月，1KITE項目第一個重要階段性成果登上了《科學》雜志的封面，宣布構建了迄今支持度最高的昆蟲高級階元演化樹，解決了一系列昆蟲演化研究中的難題，同時也為昆蟲學的各分支學科提供了系統關系的基本框架。目前這篇文章已被引用上千次。

從項目啟動到論文發表，經過了一個漫長而坎坷的過程，光是分析收集到的數據，就花去了兩年時間。

這一成果基于144個代表性昆蟲物種的轉錄組數據，在重新構建昆蟲系統發育關系的同時，還估算了昆蟲不同類群的起源時間。

而他們根據RNA轉錄組的測序結果來構建分子樹，也開辟了一種新的方法學。

數據顯示，昆蟲與最早的陸生植物在約4億8千萬年前同時起源，共同塑造了最早的陸生生态系統。

大約4億年前，昆蟲扇動翅膀，成了第一批會飛的地球生物，遠遠早于其他動物。此後昆蟲獨霸天空近2億年之久。

有趣的是，昆蟲之翅的出現，也與陸地上高大植物同時。

樹木提供了大量有待開發的生态位，最早掌握飛翔技能的昆蟲能夠占有新空間，抵達新宿主，利用新食物，也能更有效率地自我保護和向外擴散，自然成了超級赢家。

“在所有現生昆蟲中，有翅類超過99%。”周欣說，“可以說，翅是昆蟲的演化創新，也是這個類群如此成功、如此繁盛的關鍵因素之一。”

那麼昆蟲究竟是如何起飛的，它們的翅又從何而來？這自然成了1KITE項目熱切探索的命題之一。

在2019年初發表在《美國國家科學院院刊》的論文中，他們梳理了多新翅類昆蟲的演化曆程，指出有翅類昆蟲的祖先最早為陸生，而非來自淡水生境，翅來源于背闆和側闆的特化結構。

除飛行外，昆蟲與植物的演化還有過多次“神同步”：昆蟲的海洋性祖先開始登陸的時候，陸地植物生态系統剛剛形成；全變态昆蟲與種子植物幾乎是同步出場；當被子植物開出真正意義上的花朵時，傳粉蜂也閃亮登台了……

昆蟲與植物之間數億年的“相愛相殺”還表現在昆蟲口器的演化上。

乍看起來，吃植物是一件非常簡單的事，但植物堅固的物理屏障和難以消化的化學成分，都給植食者們設下了重重阻礙。

1KITE項目2018年發表在《美國國家科學院院刊》的另一項研究表明，4億年前，昆蟲發展出了像針一樣鋒利、像吸管一樣便利的刺吸式口器，蚜蟲、飛虱、蝽等我們今天熟知的農業害蟲都得益于這項利器。

而消化植物所必需的果膠酶，最初主要存在于植物、細菌和真菌中，直到大約1億年前，竹節蟲的祖先通過水平基因轉移機制，獲得了可能來自腸道菌群的相關基因，使這些昆蟲從此有了獨立合成果膠酶的能力。

越來越多證據表明，昆蟲中的許多類群都平行出現過水平基因轉移，從微生物那裡借來了對付植物的武器。

其中，多樣性最高的昆蟲類群——甲蟲，也多次從真菌獲得果膠酶。1KITE項目展示的這部“舌尖上的昆蟲演化史”，同樣異彩紛呈。

“有了如今的數據積累和數據分析方法的創新，許多以前懸而未決的問題現在得到了解答，而許多以前基于小數據量的所謂‘新發現’現在也得到了糾正。” 美國羅格斯大學教授Karl Kjer說。

迄今為止，1KITE項目已在多家知名期刊上發布了一系列頗受關注的成果，其中包括膜翅目、半翅目、蜚蠊目等昆蟲子類群的系統發育研究。

項目所産生的轉錄組和基因集數據通過1KITE開放平台與全球科研人員共享。

“這些成果對世界上主要昆蟲類群的研究，确實很有借鑒意義。” 朱朝東說。

明年，項目下的多數課題都将結題，這架一飛10年的“風筝”也即将收官。

“回頭想想，能參與這樣一個項目非常幸運。”周欣說，“未來，我們将在昆蟲生命之樹的框架下，理解昆蟲重要性狀的演化模式。在此基礎上，全球科學家将共同推動關于昆蟲的生态功能、危害機制、生物機理等重大問題的研究，助力農業、醫學等應用與發展。”

相關論文信息：

DOI：10.1073/pnas.1817794116

DOI：10.1073/pnas.1815820115

DOI：10.1126/science.1257570

《中國科學報》 (2019-05-28 第7版 生态環境)

請按下方二維碼3秒識别

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!