南湖新闻网讯（通讯员 李家旭）近日，我校植物科学技术学院昆虫资源与行为利用团队王小平课题组研究成果以“Juvenile hormone regulates the photoperiodic plasticity of elytra coloration in the ladybird Harmonia axyridis”为题在Molecular Ecology发表。研究发现，异色瓢虫生殖和滞育个体的鞘翅颜色存在明显差异，其分子基础为光周期介导的内分泌信号对鞘翅中类胡萝卜素沉积的差异性调控。
异色瓢虫原产于亚洲，因其对蚜虫、粉虱等重大农业害虫具有强大的捕食能力，故作为重要的天敌昆虫被引种至世界各地。异色瓢虫被广为熟知的另一特点是，该虫具有超过200种鞘翅颜色模式，均由黑色素构成的黑色图案和类胡萝卜素构成的红色图案共同镶嵌组合而成，因此常作为昆虫体色多型性的研究模型。异色瓢虫鞘翅颜色模式受到遗传和环境共同调控，且人们已经证明转录因子Pannier基因内含子变异及基因表达差异是鞘翅颜色模式多样性的重要遗传学基础。但是，环境因素依赖哪些信号通路影响鞘翅颜色模式尚不明确。
图1 LD和SD条件下异色瓢虫雌成虫鞘翅颜色差异
自然条件下，异色瓢虫具有应答冬季低温短光照进入生殖滞育的特性。通过在实验室设置长光照（LD，LD 14:10 h）和短光照（SD，LD 10:14 h），可人工诱导异色瓢虫分别进入生殖和滞育。该研究通过比较LD和SD处理下的异色瓢虫，发现生殖和滞育雌虫间鞘翅斑型无明显差异，但是鞘翅颜色出现显著分化。在成虫羽化后，鞘翅颜色由黄色向红色呈现不同的转变速率，在20-30天之间，LD雌虫鞘翅颜色红于SD雌虫（图1）。这种翅色差异与类胡萝卜素含量差异有关，其中α-胡萝卜素和β-胡萝卜素是主要参与着色的色素化合物。
图2 LD和SD条件调控异色瓢虫雌成虫翅色可塑的机制模型
该课题组前期研究证明，保幼激素JH是决定异色瓢虫进入生殖或滞育的直接内分泌因素，因此该研究进一步分析了JH信号对滞育关联的鞘翅颜色可塑性的调节作用。结果表明，JH通过胞内受体Met并依赖其初级应答基因Kr-h1促进类胡萝卜素在生殖雌虫鞘翅中的积累，而滞育个体由于缺乏JH则鞘翅沉积较少的类胡萝卜素，最终导致生殖和滞育个体鞘翅颜色产生差异。结合RNA-seq与RNAi介导的基因筛选，该研究发现类胡萝卜素转运体基因SCRB10直接参与了JH-Met-Kr-h1信号对类胡萝卜素沉积的调控作用（图2）。此外，该研究发现JH-Met-Kr-h1信号轴对Pannier基因表达无调节作用，这解释了为什么生殖和滞育个体鞘翅斑型无差异。
综上所述，该研究鉴定到异色瓢虫滞育判别的新指标——鞘翅颜色差异，揭示了异色瓢虫鞘翅颜色可塑性的分子机制，这有利于指导异色瓢虫的工厂化繁育，也为理解内分泌系统调控动物体色的环境可塑性提供了新视角。
植物科学技术学院在读硕士生李家旭为第一作者，王小平教授和刘文副教授为通讯作者。已毕业博士田忠、在读博士生安颢敏、硕士生李贝、本科生刘兴凤、高级实验师王佳璐，以及美国农业部Colin S. Brent博士参与了该项研究工作。该工作得到国家自然科学基金（31701842）和湖北省自然科学基金（2019CFB475）的资助。
审核人：王小平
【英文摘要】
Many animals, including insects, exhibit plasticity of body colour in response to environmental changes. Varied expression of carotenoids, major cuticle pigments, significantly contributes to body colour flexibility. However, the molecular mechanisms by which environmental cues regulate carotenoid expression remain largely unknown. In this study, we used the ladybird Harmonia axyridis as a model to investigate the photoperiodic-responsive plasticity of elytra coloration and its endocrine regulation. It was found that H. axyridis females under long-day conditions develop elytra that are much redder than those under short-day conditions, resulting from the differential accumulation of carotenoids. Exogenous hormone application and RNAi-mediated gene knockdown indicate that carotenoid deposition was directed through the juvenile hormone (JH) receptor-mediated canonical pathway. Moreover, we characterized an SR-BI/CD36 (SCRB) gene SCRB10 as the carotenoid transporter responding to JH signalling and regulating the elytra coloration plasticity. Taken together, we propose that JH signalling transcriptionally regulates the carotenoid transporter gene for the photoperiodic coloration plasticity of elytra in the beetles, which reveals a novel role of the endocrine system in the regulation of carotenoid-associated animal body coloration under environmental stimuli.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/mec.16896
