Undersøgelse identificerer kønstilpasset farveændringsgen i græshopper

En undersøgelse foretaget af en Texas A&M AgriLife Research-forsker giver nøgleindsigt i de ændringer, der sker i græshopper, der fører til sværme af bibelsk proportion.

AgriLife Research-undersøgelsen fremhæves i artiklen "Sexual repurposing of juvenile aposematism in locusts," offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Greg Sword, Ph.D., AgriLife Research scientist og Charles R. Parencia Endowed Chair i Department of Entomology, begyndte studiet for 15 år siden på University of Sydney i Australien med samarbejdspartner Darron Cullen, Ph.D., en zoolog ved University of Lincoln i England. Cullen var Swords doktorand på det tidspunkt.

I løbet af de 15 år, mens han arbejdede i laboratorier ved Katholieke Universiteit Leuven, Belgien, og University of Cambridge, Storbritannien, manipulerede Cullen et enkelt protein, der kontrollerer græshoppens farve. Som den nyligt offentliggjorte undersøgelse viser, tjener genet flere formål og giver adskillige adaptive funktioner baseret på en græshoppes alder, køn og omgivende befolkningstæthed.

Ørkengræshopper, Schistocerca gregaria, er græshopperne af bibelsk berømmelse. De er en græshoppeart, der udviser et ekstremt eksempel på fænotypisk plasticitet kaldet fasepolyfenisme, hvilket betyder, at disse insekters adfærdsmæssige og morfologiske karakteristika kan ændre sig drastisk afhængigt af deres befolkningstæthed, sagde Sword.

Sword er medlem af National Science Foundation-finansieret Behavioral Plasticity Research Institute, et stort multi-institution-initiativ, der specifikt undersøger græshoppernes fænotypiske plasticitet.

Publikationen afslører en hidtil ukendt seksuel dimension til ørkengræshoppers fasepolyfenisme, sagde Cullen. Resultaterne tyder på, at græshopper repræsenterer en model til at undersøge bidragene fra naturlig versus seksuel selektion i udviklingen af ​​fænotypisk plasticitet.

"Dybest set er det hanner, der signalerer til mænd i sværmens kaos:"Se, jeg er en han, og det nytter ikke at hoppe på mig, fordi du ville spilde din tid og energi," sagde Cullen. "Hannerne nyder godt af denne samarbejdende undvigelsesmekanisme, så de fokuserer deres indsats på hunner for at få succes med parringen."

Identifikation af det gen, der udløser farveændring

Ensomtlevende, "ensomme," græshopper skifter mod "selskabsfasen" ved højere befolkningstætheder. Gregarious græshopper er mere aktive og socialt sammenhængende, og deres farvemønster ændrer sig, sagde Sword.

"De adfærdsmæssige og andre ændringer er radikale," sagde han. "Det er derfor, folk engang troede, at de faktisk var forskellige arter, men det er bare disse adfærdsmæssige og morfologiske ændringer, der udløses af befolkningstætheder, der i sidste ende kan føre til massive sværme af græshopper."

Unge græshopper i lav befolkningstæthed er grønne eller sandfarvede, hvilket matcher deres baggrund for camouflage, sagde han. Men ved høj tæthed ændres de til en kontrasterende gul og sort aposematisk farve, der skal afskrække rovdyr. Når de når voksenalderen, vender græshopper med høj tæthed tilbage til en mat brun farve, men et par dage senere bliver hannerne lyse gule.

Sword and Cullens nylige undersøgelse viser, at det samme "gule protein"-gen, udtrykt i både hanner og hunner som unge, bliver genbrugt som et signal mellem hanner under sværmende forhold.

Rollen som 'gult protein'

De fremherskende grønne eller sandgule baggrundsfarver af disse græshopper afhænger af udtrykket af et carotenoidbindende "gult protein," sagde Sword.

Ved at bruge RNA-interferens fandt Cullen, Sword og de andre samarbejdspartnere ud af, at selskabelig gulning af mænd fungerer som en advarsel for at forhindre fejlagtig seksuel chikane af andre mænd.

Cullen sagde, at de også testede for at se, om farven var et signal til hunnerne om, at hannerne var raske kammerater, men det gjorde ingen forskel i hunnernes valg af makker.

"De skal bruge deres begrænsede energi effektivt i et myldrende miljø," sagde Cullen. "Farven er et signal, der reducerer forvirringen og øger parringssuccesen midt i en sværm."

Fundamental græshoppeundersøgelse kunne vejlede forskning, kontrolmetoder

Sword og Cullen mener, at den nye forskning fokuseret på en grundlæggende rolle i den ensomme-til-selskabsmæssige forandring kan føre til bedre kontrolmetoder og forhindre ødelæggelse af sværme.

I 2020 truede sværmende græshopper i det østlige Afrika levebrødet for 10 % af verdens befolkning, da de fejede hen over Mellemøsten og det sydvestlige Asien, hvilket forårsagede skader på landbruget for milliarder af dollars og efterlod millioner af mennesker udsat for hungersnød.

Sværme er uforudsigelige naturkræfter, sagde Sword, men at forstå, hvordan disse græshopper og deres miljø skaber betingelser for, at de kan ændre sig til græshopper, kan hjælpe med at forudsige befolkningsstigninger og udvikle kontrolmetoder til at afbryde forandringen eller gribe ind, før de sværmer.

Forskere har kendt til farveændringen hos græshopper i mere end 100 år, men opdagelsen af ​​et enkelt gen, der styrer farven, er et nøgletrin til at besvare grundlæggende spørgsmål om græshopper, sagde Sword.

"Dette er grundlæggende information, og vi ønsker ikke at komme foran os selv med bredere applikationer," sagde Sword. "Men vi taler ofte om at forstå adfærd, og det er i forhold til seksuel adfærd, som fører til flere græshopper. Så at prøve at forstå deres adfærd er et skridt i den rigtige retning mod at løse problemer relateret til græshoppesværme." + Udforsk yderligere

Forskere identificerer giftige antipredator-forsvarsmekanismer i græshopper