每年，帝王蝶都会进行一次壮观的迁徙，从加拿大北部一直飞到墨西哥湾沿岸。科学家们对这种神秘旅程的几个方面着迷，从它如何塑造帝王蝶的发育到这些有翼生物确切的终点。一项在《自然》杂志上发表的新研究有助于解释这种神秘迁徙的一个方面——昆虫如何进化出使自身具有毒性的能力，从而使它们在途中不被捕食者吃掉。
作为毛毛虫，帝王蝶以马利筋为食。这种食物对大多数动物来说会生病甚至致死；马利筋会产生强心苷，它们会抑制细胞用于调节盐含量的钠泵。对于有心脏的生物来说，这可能导致心脏骤停。但帝王蝶从不消化这些毒素。相反，在一个称为“隔离”的过程中，它们在结茧、成熟为蝴蝶并起飞时，将强心苷保存在体内。马利筋植物之所以进化出毒性，正是为了让大多数昆虫不吃它们，因此能够吸收它们的威力，使橙色蝴蝶——以及大约20种其他昆虫——能够在几乎没有竞争的情况下获得食物来源。这同时也使它们对潜在的捕食者具有毒性。
携带毒物对这些物种中的大多数至少会产生一些影响，而抵抗毒物的副作用会消耗它们本可以用于其他事情的能量，比如进食和繁殖。帝王蝶对马利筋的耐受能力比其他物种要好，而赋予果蝇相同的遗传抗性可能有助于揭示原因。
研究人员使用CRISPR技术，将三种突变引入一种已知控制钠泵的果蝇基因中。其中两种突变（可阻止强心苷与钠泵结合）已经在帝王蝶中研究过。但这两种突变使果蝇更容易抽搐，并且它们很快就死亡了。在混合物中加入第三种、先前未识别出的突变，有助于补偿前两种突变的负面影响。
通过逐一测试这些突变，“他们能够真正地回放进化的录像带，”芝加哥大学生态学家马库斯·克罗恩福斯特说。这是因为突变必须按特定顺序发生，才能避免在赋予它们隔离毒素的超能力之前就杀死果蝇。
经过三次突变的“帝王蝶果蝇”对马利筋毒素的抗性与帝王蝶本身一样，对其敏感度比野生同类低1000倍。它们还能从幼虫阶段（幼小的果蝇不幸长得像蛆虫而非毛毛虫）一直将毒素带到成年。这是首次有人利用CRISPR技术，通过在活的、多细胞生物体中一步步重现特定性状（在本例中是毒素抗性）的发展来研究进化。但研究帝王蝶果蝇可能不会带来关于这20种具有此性状的昆虫如何普遍进化出这种能力的普遍知识，彼得·安多尔法托说，他发表在8月份的一篇论文中使用了不同的基因编辑技术在果蝇中重现了相同的突变。
“这三个位点在多个昆虫目中以非常相似的方式进化，”他说，但他的团队的研究发现，突变的顺序并不总是相同的。“帝王蝶这样做的方式可能并不能代表其他类群这样做的方式。”
这项研究不仅弄清楚了这三个突变如何协同作用，使帝王蝶果蝇能够食用原本有毒的马利筋。“它还展示了‘帝王蝶果蝇’自身具有毒性的必要第一步，”研究蝴蝶的哈佛大学生物学家娜奥米·皮尔斯在给《Popular Science》的电子邮件中写道。“这是一篇真正美丽的论文。”
但尽管如此，加州大学生物学家、该研究作者诺亚·惠特曼也表示，这是一个关于CRISPR基因编辑动物的警示故事。这些果蝇，即使经过三次突变，对外部运动也非常敏感：如果你敲打它们正在飞行的试管，它们就会掉下来，需要近两分钟才能再次起飞。惠特曼和他的团队正在研究为什么帝王蝶不存在这种情况。他说，这可能是因为果蝇存在脱靶突变，这意味着CRISPR除了他团队试图调整的基因外，还编辑了一些尚未确定的随机基因。这 stark地提醒我们，我们距离用基因工程解决我们自己物种的所有问题还有很长的路要走。惠特曼说，尽管它们拥有令人难以置信的以马利筋为食的能力，“这些果蝇非常不健康。”
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