數一數,瓢蟲的斑點都長得一樣嗎?

圖片來源By NIBB (http://www.nibb.ac.jp/en/pressroom/news/2018/09/21.html)

撰文|黃佳欣

說到瓢蟲,就會讓人腦海中浮現他們討喜的渾圓模樣,還有圓斑點的搶眼特色。全世界大概有超過六千種瓢蟲種類,大部分的瓢蟲物種只有一種固定的圓斑圖案,少數種類如異色瓢蟲(Harmonia axyridis)的種內變異可以高達兩百種以上。由日本國立基礎生物學研究所的新美輝幸教授領導的團隊在異色瓢蟲身上找到一個關鍵的基因,調控翅鞘圓點圖案樣式的多樣化。

瓢蟲的圓斑圖案出現在他們的前翅(又稱為翅鞘),主要以紅色跟黑色為主,這樣鮮明的顏色樣式具有警告敵人的功能,跟捕食者表明他們非常苦又難吃。新美輝幸教授的團隊透過遺傳與基因組分析,首先利用雜交試驗證實調控圓斑點圖案的基因符合孟德爾遺傳規則,為單一基因座(single locus)的調控。

為了研究這種形態多樣性的原因,他們與日本國家遺傳學研究所的專家合作,將異色瓢蟲和七星瓢蟲(Coccinella septempunctata)的基因組做DNA定序以了解他們的基因序列組成。接著,該團隊進一步鑑定出一個關鍵基因稱作 pannier。從瓢蟲翅鞘的縱剖面可以清楚地觀察到黑色圖案的形成是翅鞘最上層(背面)細胞有黑色素(melanin)的沈澱,紅色圖案則是底層(腹面)的細胞會有紅色色素(類胡蘿蔔素,carotenoids)的沈澱。此外,異色瓢蟲的 pannier 基因在蛹發育的過程中只會表現在那些翅鞘黑色區域的細胞中,而這些黑色區域的細胞不會累積紅色色素。當他們透過遺傳工程技術抑制 pannier 基因的表現,會導致翅鞘缺少黑色的圖案,讓整個翅鞘變成都是橘紅色(圖一)。這表示 pannier 基因具有雙重功能:促進黑色素沈澱和抑制紅色色素的沈澱。為了驗證這個基因是否也可以控制其它瓢蟲物種的圓斑點圖案,他們在七星瓢蟲也施用相同的實驗技術以抑制 pannier 基因的表現,並獲得了相同的結果。

圖一:以RNA干擾抑制基因造成瓢蟲成蟲翅鞘的圖案形態變化。上半部是以非瓢蟲自身的基因作為標的,下半部是針對  pannier 基因。異色瓢蟲(包含四個不同品系)與七星瓢蟲的 pannier 基因被抑制之後,翅鞘的顏色都變成橘紅色。左下方的數字表示出現橘色翅鞘的個體數除以實驗過程存活下來的個體總數。圖片來源: Fig. 3a in Ando et al. Nature Communications (2018) 9: 3843。

從瓢蟲的基因組分析中,他們也發現異色瓢蟲的 pannier 基因的 DNA 序列相比於其他完全變態昆蟲的物種顯得更長,甚至也比只有單一斑點圖案樣式的七星瓢蟲都要來得更長。仔細地比對過兩個瓢蟲物種的基因序列,相較於七星瓢蟲,結果顯示異色瓢蟲 pannier 基因的第一個內含子 (intron)的序列差異跟他們可以擁有高度圓斑圖案多樣性最為相關。他們進一步研究這個內含子在異色瓢蟲不同品系(strains)之間的序列差異程度,發現品系之間存在不同樣式的染色體倒轉(chromosomal inversion),而且這些序列會重複地出現在這個內含子中。這些序列差異是造成異色瓢蟲的圓斑圖案樣式擁有種間的高度多樣化之主要原因。

負責執行基因組分析的安藤俊哉助理教授說:「到目前為止,尚未有一個物種內的形態多樣化與單個發育基因內的染色體倒轉有關。我們的研究結果揭示了基因內染色體倒轉可以作為形態變化的演化驅動力。」

 

原始論文:

Ando T, Matsuda T, Goto K, Hara K, Ito A, Hirata J, Yatomi J, Kajitani R, Okuno M, Yamaguchi K, Kobayashi M, Takano T, Minakuchi Y, Seki M, Suzuki Y, Yano K, Itoh T, Shigenobu S, Toyoda A, Niimi T. Repeated inversions within a pannier intron drive diversification of intraspecific colour patterns of ladybird beetles. Nature Communication 2018 Sep 21;9(1):3843. doi: 10.1038/s41467-018-06116-1.

 

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作者:黃佳欣,
臺灣大學昆蟲學博士。現為中央研究院資訊科學所博士後研究員。過去以昆蟲生理及腸道菌共生關係為研究主題,目前聚焦於生物資訊與功能性基因體學。

 

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