研究發現飛蝗體色的變化契合物理學三原色規則

最新 02-01

動物的體色絢麗多彩，許多動物通過身體顏色的變化來適應不斷變化的環境和躲避天敵的捕食。飛蝗（Locusta migratoria）在散居和群居個體之間表現出體色多型性，散居型飛蝗呈現均勻的綠色，群居型飛蝗呈現黑色背板和棕色腹面。當蝗災發生時，人們總是用黑壓壓一片來形容蝗群，實際上就是指這樣體色的蝗群。反之，綠色個體的散居型蝗蟲並不成災。

這兩種體色的蝗蟲能夠隨著密度的改變而發生互變，然而，蝗蟲體色隨密度變化的分子機制仍不清楚。最近，中國科學院康樂研究組發現了蝗蟲是如何通過改變身體顏色來適應不同環境的。該研究揭示了蝗蟲體內一種新的「調色板效應」機制，即群居型黑色的體色並不是黑色素形成的，而是一種攜紅色素的蛋白形成複合體，扮演開關角色來協調昆蟲「綠色和黑色」的轉變。也就是說，群居型的黑色體色是在散居型綠色基礎上，增加紅色形成的。這樣一種物理學上的三原色配色規則在蝗蟲的體色變化中得到了完美的詮釋。

散居蝗蟲的綠色是由於黃色和藍色素的組合形成，有助於在綠色植物背景中隱藏，使其免受捕食者的侵害。群居型蝗蟲背部黑色的成因長期得不到解釋，許多科學家認為就是黑色素的沉積。但是，他們發現的黑色素並不能響應種群密度的變化，這說明他們所發現的黑色素與密度制約的體色變化無關。康樂提出了蝗蟲體色變化是否在散居蟲的綠色背景中加入了額外的紅色素後形成的假說。為了闡明此問題，他們發現群居和散居型蝗蟲中有一種β胡蘿蔔素結合蛋白（βCBP）起著關鍵色彩轉變的作用。群居型蝗蟲和散居型蝗蟲β胡蘿蔔素結合蛋白（βCBP）表達差異巨大，而且隨著種群密度的增加呈正相關變化。隨著群居型蝗蟲齡期增長，發現其逐漸加深的黑色與β胡蘿蔔素結合蛋白表達水平直接相關，而散居型蝗蟲則保持不變。β胡蘿蔔素結合蛋白在體內能特異性綁定β-胡蘿蔔素（β-carotene）。研究人員發現群居型蝗蟲的β-胡蘿蔔素含量高出散居型近三分之一的量，表明β胡蘿蔔素結合蛋白和β-胡蘿蔔素與群居型黑色體色直接相關。當將散居蝗蟲飼餵β胡蘿蔔素後進行群居飼養，體內β胡蘿蔔素結合蛋白水平顯著增加，幾乎一半蟲子體色由綠色轉變成黑色背板/棕色腹面，而其餘蟲子轉變為類似於群居的體色。RNA干擾群居型β胡蘿蔔素結合蛋白基因則產生體色由黑色轉變成綠色。體外和群居蟲體內β胡蘿蔔素結合蛋白的免疫共沉澱實驗證明了βCBP與β-carotene形成的複合體是紅色的。同時，通過免疫電鏡實驗發現β胡蘿蔔素結合蛋白（βCBP）定位於黑色素顆粒，共同證明了β胡蘿蔔素結合蛋白在體內確實通過綁定紅色的β-胡蘿蔔素來調控黑色體色的形成。β胡蘿蔔素結合蛋白與β胡蘿蔔素（β-carotene）的結合與分離受到種群密度的調控，高密度時相互結合呈現紅色導致黑色體色的形成，低密度時相互分離，不顯紅色從而體現本地的綠色。

蝗蟲從綠色變成黑色是種群密度依賴的適應性反映。群居黑色背板/棕色腹面呈現警戒色，既可以使同種相互識別形成龐大的種群，又可以對天敵發出警戒信號抵禦捕食。這兩種體色可以在野外根據密度變化實現互變。這種靈活的體色變化對蝗蟲的生存具有重要意義。綠色個體主要依靠植物來隱藏自己，黑色/棕色的群居型個體主要依靠群體防禦機制來達到保護自己的目的。康樂研究組首次證明飛蝗的黑色/棕色是由紅色的色素複合體所決定的，而且這種體色變化能夠響應種群密度的改變。這項研究揭示了動物通過巧妙利用物理的三原色配色來形成群居體色的一種適應性進化機制。這種體色適應的進化機制可能在其他昆蟲和動物中也存在。該研究的意義還在於可以合理地推測，動物斑斕的體色都是由三原色的組合實現的。

該研究結果已於2019年1月在eLife上在線發表。eLife還對此文進行了專文評述。該研究論文的第一作者是動物所副研究員楊美玲，得到國家基金委和中科院的資助。