绿草蛉季节性体色变化中胆绿素的鉴定及其代谢酶的作用机制研究

本研究针对绿草蛉(Chrysoperla nipponensis)成虫季节性体色变化的分子机制展开探索。研究人员通过MS/MS分析鉴定胆绿素(Biliverdin)为关键绿色色素，克隆了血红素加氧酶(HO)和胆绿素还原酶(BR)基因序列，利用重组蛋白表达验证BR的代谢功能，结合RNAi技术和qPCR分析，揭示了环境温度通过调控BR表达影响体色变化的规律。该研究首次系统阐明了昆虫季节性体色变化的酶学基础，为环境适应性进化研究提供了新视角。

　　

在自然界中，绿草蛉成虫那抹鲜亮的绿色会随着冬季来临逐渐转为棕色，这种神奇的变色现象背后隐藏着怎样的分子秘密？这种完全变态昆虫不仅幼虫阶段呈现棕褐色，更令人费解的是部分成虫会在冬季主动"换装"，暗示环境因素可能调控着色素合成通路。尽管早在1970年就从绿草蛉中分离出胆绿素，但半个世纪过去，这种蓝色色素如何参与昆虫体色调控仍是个谜团。更棘手的是，昆虫体内血红素含量极低，传统胆绿素合成途径可能并不适用，这使得绿草蛉变色的生化机制成为昆虫生理学领域亟待破解的难题。

为揭开这个谜题，国内研究人员开展了一项系统研究。通过乙醇提取结合硅胶柱层析，从200只绿草蛉成虫中分离出蓝绿色组分，经质谱鉴定确认含有胆绿素（m/z 583→297）。研究团队创新性地采用RNA-seq数据挖掘，首次鉴定出绿草蛉的血红素加氧酶(HO)和两种胆绿素还原酶(BR)基因序列（comp22233、comp16221和comp20131），其中BR与人类同源蛋白相似度达52-57%。通过原核表达系统获得重组BR蛋白，酶活实验证实其能有效催化胆绿素降解。为模拟冬季环境，研究人员设计特殊培养方案：将蛹置于11L:13D光周期下，白天7℃-25℃交替，夜间持续7℃。这种"过山车式"温控成功诱导出棕色成虫，而对照组始终保持绿色。

关键实验技术包括：基于Illumina HiSeq 2500的转录组测序、His标签蛋白纯化、dsRNA介导的基因沉默、实时荧光定量PCR等。实验样本为实验室长期饲养的绿草蛉种群，其蛹期经历特殊温光周期处理以诱导越冬表型。

"越冬成虫制备与体色观察"部分揭示：所有蛹均羽化为绿色成虫，棕色表型需在成虫期经历2-3个月低温才会逐渐显现。温度处理组中，39天后89.5%个体出现局部褐变，101天后30.8%完全转为棕色，证明体色变化是渐进过程而非遗传决定。"色素纯化"实验通过TLC和HPLC-MS确认，绿色成虫提取物含有与标准品R_f值一致的胆绿素组分，而棕色个体该组分显著减少。"序列分析"显示，绿草蛉HO与蜜蜂等昆虫同源，而两种BR分别类似二氢苯二醇脱氢酶和肌醇脱氢酶，暗示昆虫可能进化出独特的胆绿素代谢途径。"BR功能分析"通过可见光谱变化证实，重组comp16221和comp20131均能催化胆绿素降解，48小时内使溶液绿色褪去。"RNAi实验"意外发现，沉默HO或BR基因后成虫仍保持绿色，提示可能存在替代代谢通路。"基因表达比较"显示棕色成虫BR mRNA水平显著低于绿色个体（P<0.01），而HO表达无差异，表明低温主要通过抑制BR表达促使胆绿素积累减少。

讨论部分提出了几个颠覆性认知：首先，除胆绿素外，黄绿色组分（可能含胡萝卜素）和黄色组分（或为氧化型眼色素）共同构成复合绿色。其次，昆虫BR的功能分化令人惊讶——虽然序列相似度低，但comp20131（预测为肌醇脱氢酶）同样具有胆绿素还原活性。更值得注意的是，蛹期经历的温度而非光周期才是决定成虫是否变色的关键，这解释了自然界中同期羽化的个体可能出现不同体色的现象。从生态适应角度，夏季丰富的胆绿素可能帮助抵抗氧化应激，而冬季降低BR表达节省能量，这种"节能模式"或是越冬策略的一部分。

该研究发表在《Insect Biochemistry and Molecular Biology》的论文首次绘制了绿草蛉体色变化的分子图谱，不仅修正了Rüdiger 1970年提出的单一色素理论，更建立了环境温度-BR表达-胆绿素代谢的调控轴。这些发现为理解昆虫环境适应性提供了新范式，对农业害虫防治（如通过调控天敌昆虫体色提高生物防治效率）具有潜在应用价值。未来研究将聚焦于鉴定其他绿色色素成分，并探索上游原卟啉合成通路的调控机制。