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本研究为理解气候变暖背景下物种的热适应性进化提供了关键的分子机制见解。针对现有研究多集中于单一时间尺度急性热胁迫响应的局限性，研究人员以菜粉蝶（Pieris rapae）为模型，首次采用全因子实验设计，系统分离并比较了其幼虫在非胁迫性长期发育温度与短期驯化温度下的基因表达谱。研究发现，两种时间尺度的温度暴露触发了大量不重叠的差异表达基因（DE），且存在部分功能相似性，表明发育温度可塑性与短期温度驯化由不同基因集介导，可能独立进化。此外，研究还识别了少量受发育与驯化温度交互作用影响的基因，为理解早期温度经历如何调控后期驯化能力提供了分子线索。该成果发表于《Ecology and Evolution》，深化了对生物响应多时间尺度气候变化的分子机制认知，对预测物种进化潜力具有重要意义。
随着全球气候变化的加剧，地球上的生物正面临着平均温度升高、气候变率加大以及物候改变等多重挑战。对于无法自主调节体温的变温动物而言，其生存和繁衍更加依赖于对温度变化的可塑性响应，即“温度可塑性”。这种可塑性使个体能够在不同温度环境下表达出不同的性状，从而适应多变的生境。然而，气候变化带来的温度波动横跨多个时间尺度，从几分钟的热浪到跨越数周的季节转变。这就引出了一个核心科学问题：生物体对不同时间尺度温度变化的响应，在分子机制上是共享同一套“工具箱”，还是各自拥有独立的“开关”？解答这个问题，对于预测物种能否通过进化适应未来的气候至关重要。如果长期发育可塑性和短期温度驯化由相同的基因控制，它们的进化轨迹就会相互牵制；反之，如果它们由不同的基因模块控制，就可能独立进化，为物种适应复杂多变的新环境提供更大的灵活性。
目前，尽管利用RNA测序（RNA-Seq）研究温度响应的转录组学工作已有很多，但它们大多聚焦于急性热胁迫，或者没有在相同温度条件下操纵多个时间尺度，这使得我们难以清晰剥离并比较不同时间尺度温度可塑性的独特分子基础。为了填补这一空白，一项发表在生态学与进化领域期刊《Ecology and Evolution》上的研究，以常见的农业害虫菜粉蝶（Pieris rapae ）幼虫为模型，展开了一项精巧的实验。
关键技术方法概述
研究人员设计了一个2×2的全因子实验。他们将从美国北卡罗来纳州野外收集的菜粉蝶幼虫，从孵化开始分别置于两种具有日波动的非胁迫温度下饲养：温暖的“高温”组（30°C ± 5°C）和凉爽的“低温”组（16°C ± 5°C），这被称为“发育温度”处理。当幼虫发育到四龄时，将它们再分为两组，分别接受6小时的短期温度处理：或保持原温度，或切换到另一种温度。这样便形成了四组处理：高温-高温、高温-低温、低温-高温、低温-低温。在短期处理结束后，研究人员立即采集幼虫的肌肉、脂肪体和表皮组织，混合后进行RNA提取。每个处理组设置4个生物学重复，共16个样本。利用Illumina NovaSeq平台进行链特异性文库的RNA测序。随后，使用Trimmomatic进行质控和修剪，STAR将序列比对到菜粉蝶参考基因组，HTSeq进行基因计数。差异表达分析在R语言环境中使用DESeq2包完成，以识别受发育温度、短期驯化温度及其交互作用显著影响的基因。最后，利用clusterProfiler包对差异表达基因集进行基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析，以揭示其潜在的生物学功能。
研究结果
3.1 发育温度对发育时间和死亡率的影响
研究首先确认了实验温度条件的生态相关性。结果显示，虽然两种发育温度下的幼虫死亡率没有显著差异，但发育时间存在极显著差异：在30°C ± 5°C下发育的幼虫，其从孵化到四龄的时间（平均5.8天）远短于在16°C ± 5°C下发育的幼虫（平均14.8天）。这证实了长期的发育温度处理成功诱导了显著的表型（生活史）可塑性，且该处理是非胁迫性的。
3.3 发育温度对基因表达的影响
转录组分析发现，共有221个基因的表达显著受到发育温度的影响（差异表达基因，DE）。其中，190个基因在较高发育温度下表达上调，31个下调。功能富集分析揭示了这些基因参与多种生物学过程：
• 激素调控 ：与“激素代谢过程”相关的基因显著富集，包括两个蜕皮激素受体基因（HR3和HR4）在高温下强烈上调，暗示激素信号通路在协调发育速率可塑性中扮演关键角色。
• 能量利用与代谢 ：富集了与“甘油三酯脂肪酶活性”、“O-糖基化合物水解酶活性”等相关的分子功能，表明发育温度差异影响了能量代谢策略。
• 解毒与蛋白折叠 ：多个细胞色素P450（CYP）、UDP-糖基转移酶（UGT）基因以及热休克蛋白（HSP）相关基因表达发生变化，导致“药物代谢”、“内质网蛋白质加工”等KEGG通路富集。
• 冷驯化相关 ：在低温发育组中，两个海藻糖/糖转运蛋白和两个磷脂酶基因表达显著上调，这可能与长期的低温适应和细胞膜稳定性维持机制有关。
3.4 短期驯化温度对基因表达的影响
短期（6小时）温度处理则影响了另一套不同的基因，共鉴定出185个DE基因。其功能特征与发育温度响应既有重叠又有区别：
• 角质层蛋白 ：一个突出的发现是，7个角质层蛋白基因在短期低温处理下表达上调，导致“几丁质角质层结构成分”这一分子功能显著富集。这提示角质层的快速修饰可能是应对短期温度变化的重要机制。
• 蛋白折叠与氨基酸代谢 ：与发育温度响应类似，短期驯化也富集了与蛋白质折叠、分子伴侣活性以及氨基酸代谢相关的GO条目。
• 解毒通路 ：与发育温度响应部分重叠，短期驯化也上调了部分CYP和UGT基因，导致相似的解毒相关KEGG通路（如“细胞色素P450对外源物质的代谢”）富集。
3.5 受发育和短期驯化温度共同影响的基因
值得注意的是，只有12个基因 对两种时间尺度的温度处理都表现出显著的差异表达。这12个基因中，有5个是热休克蛋白或其他分子伴侣。对全部基因表达变化的整体分析显示，发育温度响应与短期驯化温度响应的基因表达变化模式相关性很弱。这表明，在转录组水平上，这两种时间尺度的温度可塑性主要由不同的基因集合 所介导。
3.6 受发育和短期驯化温度交互作用影响的基因
研究还识别出51个基因，其表达水平受到发育温度与短期驯化温度交互作用 的显著影响。这意味着，幼虫对短期温度变化的转录响应，取决于它们之前的发育温度经历。通过对这些基因进行层次聚类，发现了8种不同的表达模式。其中特别有趣的是第3簇基因 ，包含数个热休克蛋白。这些HSP在发育于低温（16°C）的幼虫中，对短期高温的响应更为剧烈（上调幅度更大）；而在发育于高温（30°C）的幼虫中，其基础表达水平本就较高，对短期高温的响应增量反而较小。这种现象类似于在某些耐热珊瑚中观察到的“组成型预加载”机制，即通过维持较高的基础水平来减少应对应激时所需的增量调整。
研究结论与意义
本研究通过精密的实验设计，成功地将菜粉蝶幼虫对长期发育温度与短期驯化温度的转录响应分离开来。核心结论是：尽管存在部分功能上的相似性（如都涉及解毒和蛋白折叠通路），但发育温度可塑性与短期温度驯化主要由不同的差异表达基因集合所驱动 。两者之间极小的基因重叠和微弱的相关性表明，这两种响应在分子机制上具有模块性 ，可能拥有独立的遗传基础，从而能够进行独立的进化。
这一发现具有重要的进化生态学意义。它意味着，面对气候变化带来的多时间尺度温度波动，物种可能通过分别调整其长期发育可塑性和短期驯化能力来适应。例如，如果环境变率增加，选择可能更倾向于增强短期可逆的驯化能力，而这种进化可以不（或很少）影响长期发育可塑性。研究识别的特定基因模块（如激素相关基因介导发育速率、角质层蛋白快速响应短期变化、HSPs在交互作用中的角色等）为理解这些适应过程的分子基础提供了具体靶点。
此外，发现的51个交互作用基因，特别是HSPs表现出的“响应幅度依赖于发育经历”的模式，为解释先前诸多研究中观察到的“早期温度经历影响成年期驯化能力”的现象提供了潜在的分子机制。最后，该研究强调，不应将温度可塑性视为一个单一的整体性状，而应认识到作用于不同时间尺度的可塑性是不同的过程 ，它们在物种应对气候变化和新环境的进化响应中，可能扮演着独特且可分离的角色。这为更精准地预测生物在气候变化下的进化潜力提供了新的理论框架和分子依据。
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