在一种具有绿色和棕色多态性的蝗虫中进行的复制差异表达分析揭示了β-胡萝卜素结合蛋白在体色形成中的作用

《Molecular Ecology》：Replicated Differential Expression Analysis in a Green-Brown Polymorphic Grasshopper Reveals Role of Beta-Carotene-Binding Protein in Body Coloration

　　本研究通过转录组测序和差异表达分析，在 clubsicle 蝗虫中鉴定出六个 β-胡萝卜素结合蛋白（βCBP）基因在绿色形态中显著上调。基因树和染色体定位分析表明，这些 βCBP 基因在进化上具有保守性，但功能分化。βCBP 可能通过调控类胡萝卜素和胆绿素的结合，介导绿色色氨酸的形成，这一机制在 Caelifera 家族中可能是独特的。研究结果为理解正脚目昆虫色氨酸进化的分子机制提供了新见解。

　　本研究聚焦于一种名为“戈姆福切草蝗”（*Gomphocerus sibiricus*）的直翅目昆虫，重点探讨其绿色和棕色表型之间的基因差异。草蝗类（Gomphocerinae）是昆虫中一个重要的群体，其绿色与棕色表型的共存现象被广泛研究，而这种表型的遗传基础尚未完全明确。本研究通过转录组数据和新的染色体级别基因组组装，对绿色和棕色表型之间的基因表达差异进行了分析，旨在识别与这两种表型相关的特定基因。通过在两个独立的数据集中进行重复分析，我们发现有六个基因在绿色个体中在两个数据集中均表现出显著的上调趋势，这些基因被注释为β-胡萝卜素结合蛋白（βCBPs）。βCBPs在沙漠蝗（*Schistocerca gregaria*）和迁徙蝗（*Locusta migratoria*）中已知与颜色调控相关，但在戈姆福切草蝗中的具体功能可能有所不同。基因树和染色体位置的分析显示，βCBP在这些物种中存在祖先（物种分化前）和谱系特异性复制。我们的研究还发现，βCBP的同源基因在非直翅目物种中几乎不存在，这表明βCBP可能是一种直翅目特有的调控机制，用于产生绿色体色，而其他直翅目谱系则可能依赖不同的遗传途径。这些发现为理解直翅目昆虫中色素调控机制的进化多样化提供了新的视角。

研究开始于一种在法国西部阿尔卑斯地区收集的戈姆福切草蝗个体。这些个体在实验室中被培养至第四次（最后一次）若虫阶段（N4），在此阶段进行RNA提取和转录组分析，以识别不同表型之间的差异表达基因（DEGs）。通过比较绿色和棕色个体在N4阶段的基因表达，我们希望揭示与颜色形成相关的分子机制。由于转录组分析容易产生假阳性结果，我们通过独立的数据集重复了整个分析，以提高候选基因的可靠性。接着，我们通过构建三个Acrididae物种中βCBP基因的系统发育树，进一步分析这些基因在不同谱系中的分化模式。我们还对公开的直翅目基因组进行了筛选，以评估βCBP基因在相关物种中的分布情况。

在法国收集的样本称为“发现数据集”，而瑞士收集的样本称为“确认数据集”。发现数据集中，30,802个基因中，15,043个因表达水平较低被排除，其余的15,759个基因中有23个被鉴定为显著差异表达，其中13个基因在绿色表型中上调，10个基因在棕色表型中下调。确认数据集中，42,826个基因中，19,040个因表达水平较低被排除，其余的23,786个基因中有196个被鉴定为显著差异表达，其中95个基因在绿色表型中上调，101个基因在棕色表型中下调。由于确认数据集的组织分离不够精确，一些差异表达基因可能来自混合组织，而非真正的表型特异性表达。我们识别出七种基因在两个数据集中均在绿色表型中上调，这在统计上极不可能是随机事件，因此这些基因被认为是绿色-棕色表型调控的关键候选基因。

进一步的分析表明，这些βCBP基因在三个Acrididae物种中分布广泛。基因树显示，βCBP基因在不同谱系中形成了不同的分支。其中，六种βCBP基因在戈姆福切草蝗中均在绿色表型中上调，这些基因在基因树中形成了两个主要的分支。在确认数据集中，还有四种βCBP基因表现出差异表达，其中两种在绿色表型中上调，两种在棕色表型中下调。这些基因虽然在发现数据集中未被识别，但它们与βCBP的序列相似性较高，因此被纳入进一步的分析。此外，我们还发现βCBP基因在多个物种中广泛存在，但在非直翅目物种中几乎不存在，这表明βCBP基因可能是在直翅目谱系中特异性进化并用于绿色体色的调控。

βCBP基因的进化路径表明，它们可能经历了祖先复制和谱系特异性复制。例如，在戈姆福切草蝗中，βCBP基因分布在不同的染色体位置，这可能与它们在其他物种中的复制模式有关。同时，βCBP基因在基因树中形成了不同的分支，这表明它们在不同谱系中可能经历了不同的进化路径。研究还发现，βCBP基因在多个物种中表现出一定的保守性，尤其是在染色体位置上。这种保守性可能与βCBP基因在不同物种中的功能相似性有关。

此外，研究还发现，βCBP基因在某些物种中可能经历了特异性扩张。例如，戈姆福切草蝗的基因组中存在较高的转座子（TE）含量，这可能与βCBP基因的复制和分化有关。转座子的存在不仅影响了基因组的结构，还可能促进了βCBP基因的多样化。因此，βCBP基因的复制和分化可能与基因组的结构和功能变化有关。

研究还发现，βCBP基因在不同物种中可能具有不同的功能。例如，在戈姆福切草蝗中，βCBP基因在绿色表型中上调，而在其他物种中，它们可能具有不同的功能。这表明βCBP基因可能在不同谱系中经历了不同的进化路径，从而形成了不同的功能。因此，βCBP基因的特异性复制和分化可能是调控绿色体色的关键机制。

研究还发现，βCBP基因在不同物种中可能具有不同的调控方式。例如，在戈姆福切草蝗中，βCBP基因的表达可能受到不同的调控因子影响。因此，βCBP基因的表达调控可能是绿色和棕色表型差异的重要因素。此外，βCBP基因在不同物种中的表达可能受到不同的环境因素影响，这表明它们可能具有不同的生态适应性。

本研究的发现为理解直翅目昆虫中颜色调控机制的进化提供了新的视角。βCBP基因可能在不同谱系中经历了不同的复制和分化，从而形成了不同的功能。因此，βCBP基因的复制和分化可能是调控绿色体色的关键机制。同时，βCBP基因在不同物种中的分布可能与它们的生态适应性有关，这表明它们可能在不同环境中具有不同的功能。

此外，研究还发现，βCBP基因在不同物种中可能具有不同的功能。例如，在戈姆福切草蝗中，βCBP基因可能在绿色表型中上调，而在其他物种中，它们可能具有不同的功能。这表明βCBP基因可能在不同谱系中经历了不同的进化路径，从而形成了不同的功能。因此，βCBP基因的复制和分化可能是调控绿色体色的关键机制。同时，βCBP基因在不同物种中的分布可能与它们的生态适应性有关，这表明它们可能在不同环境中具有不同的功能。

研究还发现，βCBP基因在不同物种中可能具有不同的调控方式。例如，在戈姆福切草蝗中，βCBP基因的表达可能受到不同的调控因子影响。因此，βCBP基因的表达调控可能是绿色和棕色表型差异的重要因素。此外，βCBP基因在不同物种中的表达可能受到不同的环境因素影响，这表明它们可能具有不同的生态适应性。

综上所述，本研究通过分析戈姆福切草蝗中βCBP基因的表达差异，揭示了其绿色和棕色表型之间的遗传基础。βCBP基因可能在不同谱系中经历了不同的复制和分化，从而形成了不同的功能。因此，βCBP基因的复制和分化可能在调控绿色体色中起关键作用。此外，βCBP基因在不同物种中的分布可能与它们的生态适应性有关，这表明它们可能在不同环境中具有不同的功能。这些发现不仅有助于理解直翅目昆虫中颜色调控机制的进化，还为进一步的生态和进化研究奠定了基础。