Science Advances | 康乐团队揭示蝗虫“变色”背后的机制

警戒色彩是动物用来威慑捕食者的常见防御策略。具有害虫属性的群居蝗以黑褐色斑纹作为一种警戒色彩的形式。然而，调控这一独特斑纹的机制仍然大部分未知。

2023年8月23日，中国科学院北京生命科学研究院/中国科学院动物研究所康乐团队（康新乐及杨美玲为该文章的共同第一作者）在Science Advances 在线发表题为“Spatially differential regulation of ATF2 phosphorylation contributes to warning coloration of gregarious locusts”的研究论文，该研究发现β-胡萝卜素和β-胡萝卜素结合蛋白（βCBP）复合物在飞蝗黑-棕体色的形成中起着关键作用。βCBP的表达受到bZIP转录因子激活转录因子2（ATF2）的调控。

具体来说，ATF2在Ser327位点磷酸化并转移到细胞核，与βCBP的启动子结合并刺激过度表达。ATF2的差异磷酸化导致群居蝗的黑色和棕色颜色有所不同。为了生成棕色腹面所必需的红色色素的积累依赖于βCBP的过度表达。ATF2磷酸化的空间变化使蝗虫能够迅速适应不断变化的环境以实现警戒色彩。

警戒色彩是陆地和水生动物广泛使用的防御策略之一。这种明显的颜色有助于动物在面临捕食风险时适应和生存，因为它们充当了对捕食者的警告信号。因此，捕食者会被触发以避开展示醒目色彩的猎物。环境信号，尤其是与背景环境变化和捕食者群体有关的信号，可以影响采用高对比度色彩作为防御策略的使用。此外，种群中个体的密度可以导致动物交替展示醒目或隐蔽的颜色。了解这些差异背后的机制对动物采取最有效的防御策略来应对捕食至关重要。在警戒色彩的演化中一个显著的挑战是确定动物在成群生活时如何迅速形成醒目的颜色。

警戒色彩通过将醒目的颜色与防御机制（如毒素或难以消化性）联系起来发挥作用。昆虫使用对比鲜明的色调作为警戒颜色，例如黑黄、黑红、黑棕（橙）等。蝗虫在适应不同种群密度方面展示了一些最显著的表型颜色变化。在高种群密度下，数十亿只蝗虫形成巨大的群体，自然暴露于捕食者之下。因此，在群体中的迁徙蝗虫发展出黑色背面和棕色腹面的鲜明对比图案。相比之下，同种单独生活的蝗虫在低密度下往往具有隐蔽的绿色颜色，有助于它们融入周围环境并避开捕食者。群居蝗虫的体色在集体行为、热调节和对抗天敌方面发挥作用。然而，仅仅具备警戒色彩通常不足以在自然界中保护昆虫免受捕食者的侵害，尽管鸟类更倾向于捕食绿色的单独生活的蝗虫而不是深褐色的群居蝗虫。

除了警戒色彩之外，群居迁徙蝗虫还使用苯乙腈（PAN）作为嗅觉警戒信号和氢氰酸（HCN）毒素的前体。当被鸟类干扰或捕食时，蝗虫体内的PAN会立即转化为HCN。群居蝗虫独特的体色与它们的嗅觉警戒信号和HCN毒素密切相关。同样，凤蝶（Danaus plexippus）的警戒色彩以黑色和橙色的独特图案为特征，用于向捕食者传达其有毒性。因此，对蝗虫警戒色彩和调控机制的研究在生物学和害虫控制领域都至关重要。

许多方法已经研究了蝗虫体色的发展，包括生理学、基因和调控分子。先前的研究表明，幼虫激素参与了单独生活蝗虫的绿色体色。最近的研究表明，群居蝗虫背部的黑色不是由于黑色素沉着，而是由于β-胡萝卜素结合蛋白（βCBP）-β-胡萝卜素复合物介导的红色沉积在绿色背景上的叠加效应的结果。此外，群居蝗虫的不同体色图案表现为稳定的表型，以黑褐色为特征。虽然在蝴蝶和甲虫中，色素效应基因受转录因子（TF）和图案形成基因的影响，但掌握迁徙蝗虫背板和胸板上观察到的对比色彩图案的精确调控机制仍然不清楚。

该研究表明，不同水平的βCBP在控制群居蝗虫的黑褐色体色中起着至关重要的作用。这种调控机制通过在不同部位激活转录因子2（ATF2）的磷酸化来实现。具体而言，ATF2的磷酸化水平决定了βCBP的转录水平，进一步调控了蝗虫对种群密度变化的警戒色彩反应。该研究为深入了解群居蝗虫警戒色彩的精确协调提供了重要见解，有助于它们集体抵抗捕食者。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5168

转自：“iNature”微信公众号

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