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魏江春院士研究組與首都師范大學合作發現1.65億年前最古老的擬態地衣的昆蟲

作者: 發布時間:2020.08.06 文章來源:

  擬態是動物演化最成功的生存策略之一。昆蟲作為地球上種類最豐富的生物,演化出豐富而多樣的擬態類群,如模擬枯葉的枯葉蝶、模擬蘭花的蘭花螳螂、模擬枝干的竹節蟲等。但是,對于昆蟲擬態的起源和演化仍然不清楚,擬態研究成為生物學研究的熱點和難點。近日,魏江春課題組魏鑫麗項目研究員與首都師范大學王永杰團隊聯合在生物學頂級期刊eLife上正式發表了題為“Lichen mimesis in mid-Mesozoic lacewings”的研究論文,發現了1.65億年前最古老的擬態地衣的昆蟲,并揭示了最早的昆蟲擬態地衣的自我保護機制。 

  地衣是真菌與藻類或藍細菌的共生體,由于具有類似植物外形的葉狀體,最早被認為屬于植物,后續研究發現其外形主要是由真菌作為主體進行控制,遂將其歸入真菌界。地衣通常附生在樹皮、巖石和土壤等表面上,從極地到熱帶地區均廣泛分布,占據了地球陸地表面的7%。地衣能夠分泌地衣酸等物質腐蝕巖石,促進表面土壤層的形成,因此地衣常被稱為 先鋒生物。在現代生態系統中,地衣分泌的地衣酸使許多動物不愿意靠近地衣,因此地衣與地衣耐受性動物間形成了一個復雜而特殊的微生態體系,地衣與擬態地衣的昆蟲是其中最具代表性的關系之一。最著名的地衣與昆蟲關系的例子是19世紀的樺尺蛾工業黑化現象,隨著工業革命造成了大量污染,伴隨樹皮上的地衣消亡,導致偽裝地衣的淺色樺尺蛾更容易被鳥類捕食,深色樺尺蛾數量增加,隨著環境轉好,地衣大量恢復后,淺色樺尺蛾數量增加,這一經典的案例也被稱為“Darwinian evolution in action”。 

       目前,昆蟲擬態地衣的起源和早期演化仍然是研究的空白,解決這一問題的關鍵是找到更為古老地層中的地衣以及與之相似的昆蟲。以往報道的最早疑似地衣化石發現于距今約4億年前的早泥盆世地層中,但其分類位置一直存疑。研究現生地衣的學者一直以來都認為真正的大型地衣出現時間不早于6500萬年。圍繞著在更古老的中生代是否存在更古老的大型地衣以及擬態地衣的昆蟲這一科學難題,首都師范大學王永杰團隊聯合魏江春課題組魏鑫麗項目研究員對此開展了合作研究。利用化石切片和掃描電子顯微鏡技術,對采自內蒙古寧城縣中侏羅世燕遼昆蟲群中發現的疑似地衣化石Daohugouthallus ciliiferus進行了詳細的研究,發現了真菌菌絲和藻細胞及其纏繞等關鍵結構,表明D. ciliiferus是由真菌和藻細胞組成的共生體,以確鑿的證據證明了其地衣屬性,這也是目前為止發現的最早的大型地衣化石,將大型地衣出現的時間提前了近1億年。為研究地衣的早期演化提供了新的證據。

 

  1 Daohugouthallus ciliiferus的切片掃描電子顯微結構。A.地衣體皮層結構,B-H.真菌菌絲纏繞或接合綠藻細胞

 

  本研究在地衣化石D. ciliiferus出現的同一地層發現了一種脈翅目昆蟲,地衣美蛉Lichenipolystoechotes。通過對比分析發現其翅斑與D. ciliiferus的葉狀體形態非常相似;通過對昆蟲的翅斑各部位寬度以及D. ciliiferus化石的葉狀體寬度的隨機測量和統計分析,結果表明該昆蟲與該地衣有著高度的相似性;同時在昆蟲的翅斑上發現了大量黑色斑點, D. ciliiferus葉狀體上也發現了相似的斑點,而此結構細節也進一步增加了二者相似性。近朗氏窗溪蛉Thyridosmylus paralangii是在現生脈翅目中的一類具有類似翅斑的昆蟲,該類昆蟲生活在較為潮濕的富有苔蘚和地衣的環境中,與環境存在非常好的一致性;當侏羅紀時期的地衣美蛉棲息在D. ciliiferus的環境中,二者之間的相似性就使得地衣美蛉與環境形成高度的一致性。因此,侏羅紀時期地衣美蛉通過模擬D. ciliiferus獲得生存優勢,這是目前發現的首例最為古老的昆蟲模擬地衣的例子,填補了化石昆蟲擬態地衣的研究空白,證明了1.65億年前昆蟲與地衣已經形成了復雜的互作關系。 

 

2 地衣美蛉昆蟲化石照片和線條圖

3 地衣化石照片以及昆蟲翅斑與地衣葉狀體統計結果

  4 地衣美蛉的生態復原圖

    

  首都師范大學生命科學學院博士生方慧為該文第一作者,中科院微生物所魏江春課題組魏鑫麗項目研究員、首都師范大學王永杰副教授和劉家熙教授為共同通訊作者,美國國家自然歷史博物館研究員Conrad C. Labandeira、碩士生馬依明和鄭炳煜以及任東教授為共同作者。該研究過程中對地衣化石的解析得到了魏江春院士的指導,并給出了建設性建議。該研究得到了教育部創新團隊項目、國家自然科學基金項目、北京自然科學基金項目和首師大學科交叉研究院的資助。 

  Fang H, Labandeira CC, Ma YM, Zheng BY, Ren D, Wei XL*, Liu JX*, Wang YJ*. 2020. Lichen mimesis in mid-Mesozoic lacewings. eLife 9, e59007. DOI: 10.7554/eLife.59007 

  原文見:https://elifesciences.org/articles/59007 

    

 

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