米乐m6官方网站 (AIST) 生物生产研究所（所长：Tomohiro Tamura）共生进化和生物功能研究小组的 Ryo Futahashi（高级研究员）和 Takema Fukatsu（生物生产研究所首席高级研究员兼小组组长）发现了编码视蛋白基因的非凡多样性与蜻蜓色觉相关的光传感器，与东京农业大学（NODAI）应用生物科学学院的 Shunsuke Yajima（教授）、NODAI 基因组研究中心的 Ryouka Kawahara-Miki（博士后研究员）、高等研究生大学尖端科学学院的 Kentaro Arikawa（教授）和 Michiyo Kinoshita（讲师）合作（SOKENDAI；社长：冈田康信）等。

我们人类具有基于对蓝光、绿光或红光敏感的三种视蛋白基因的三色视觉。视蛋白基因在色觉中发挥着关键作用；例如，昆虫拥有紫外线（UV）光的视蛋白基因，这使得昆虫能够识别人类看不见的紫外线。众所周知，许多动物的色觉涉及 3-5 个视蛋白基因。在这项研究中，研究人员发现蜻蜓拥有数量惊人的（15-33）个视蛋白基因，并且其中大多数在成虫和幼虫之间以及成虫复眼的背侧和腹侧区域之间存在差异表达。这是关于动物色觉多样性和进化的新知识。

这项研究在线发表在美国科学杂志上，美国国家科学院院刊，2015 年 2 月 24 日（日本时间）。

飞行Anax 单性植物，其复眼高度发达

视觉对于包括人类在内的许多动物至关重要，在基础和应用研究领域都进行了大量的研究。光在眼睛的感光细胞中转化为电信号，这些信号在大脑中进行处理。视蛋白在感光细胞中充当“光传感器”，由视蛋白基因编码。特定类型的视蛋白基因产生对特定波长的光敏感的“光传感器”。例如，人类拥有三个对蓝色、绿色或红色光敏感的光传感器的视蛋白基因，并且可以看到从紫色到红色的光，但看不到紫外线。另一方面，蜜蜂和果蝇拥有针对紫外线的视蛋白基因，但不针对红光，因此它们能够看到紫外线，但看不到红光。因此，视蛋白基因与色觉密切相关。人们认为 3-5 个视蛋白是与大多数动物的色觉有关的蛋白质。

蜻蜓是一种强烈的昼夜昆虫，具有由数千个小眼睛（小眼）组成的复眼。许多蜻蜓，例如红蜻蜓，都有鲜艳的体色。由于它们的听觉和嗅觉退化，与其他昆虫相比，它们更依赖视觉。然而，蜻蜓色觉的分子基础尚未得到广泛研究。

AIST 一直致力于阐明各种昆虫复杂的生物学功能。在昆虫体色的生物学功能和生态重要性方面，有“共生细菌改变昆虫体色”等显著成果（AIST 新闻稿，2010 年 11 月 19 日) 和“红蜻蜓体色变化的分子基础”(AIST 新闻稿，2012 年 7 月 10 日).

NODAI 在使用下一代测序仪作为“生物资源基因组分析中心”对各种生物体进行基因分析方面拥有丰富的经验。 SOKENDAI 擅长分析与动物色觉相关的分子基础和生理现象。这项旨在阐明蜻蜓色觉多样性的分子基础的合作研究是通过各机构利用各个专业领域的团队合作完成的。

这项研究得到了日本学术振兴会和文部科学省的科学研究补助金的支持。

使用红蜻蜓对称频率，研究人员研究了复眼的光谱敏感性（图1）。蜻蜓有一对大复眼，头上有三个单眼。复眼主要负责视觉，而单眼则负责维持水平平衡（图1a）。在S。频率，复眼的背侧区域在结构上与腹侧区域不同：背侧小眼具有较大的刻面和橙色屏蔽色素，而腹侧小眼具有较小的刻面和深紫色屏蔽色素（图1a和b）。电生理分析显示，背眼区域主要对紫外线（300 nm）和蓝绿光（500 nm）之间的短波长范围敏感，而腹眼区域对从紫外线到红光（620 nm）的更宽波长范围敏感（图1c）。这一结果表明S。频率复眼的背侧和腹侧区域有所不同。

图1：成虫复眼的形态、解剖学和光谱敏感性对称频率 (a) 成人头部正面图； (b) 复眼的剖面； (c) 成年复眼背侧和腹侧区域的光谱敏感性

由于蜻蜓中视蛋白基因的数量未知，研究人员对蜻蜓的成虫和幼虫头部进行了全面的转录组分析S。频率通过使用下一代测序仪。结果，鉴定出多达 20 个视蛋白基因（图 2a）。根据其氨基酸序列，昆虫视蛋白可分为两类：视觉视蛋白和非视觉视蛋白。视觉视蛋白细分为UV型、短波长（SW：蓝光）型和长波长（LW：绿光至红光）型。视蛋白基因S。频率分为1个UV型、5个SW型、10个LW型和4个非视觉型，视觉视蛋白基因的数量与其他昆虫相比非常多（图2a）。此外，从各种蜻蜓物种中鉴定出了数量惊人的视蛋白基因（15-33）。

图2：昆虫视蛋白基因数量的进化变化以及昆虫视蛋白表达模式的总结S。频率 (a) 的视蛋白基因数量S。频率与多种昆虫基因组中的比较 (b) 在成虫复眼的背侧或腹侧区域、成虫头部区域表达的视蛋白基因的数量 含有单眼，或在幼虫头部S。频率。每个基因在特定的生命阶段和特定的区域表达。

研究人员接下来分析了成虫复眼、含有单眼的成虫头部或幼虫头部的背侧或腹侧区域的视蛋白基因的表达模式。大多数视蛋白基因仅在特定生命阶段和特定区域表达。例如，S。频率在幼虫或成虫中表达，如图2b所示。此外，成年人的大多数视蛋白基因仅在以下三个区域之一表达：复眼的背侧区域、复眼的腹侧区域或单眼周围区域（图2b）。因此，蜻蜓在成虫和幼虫之间以及成虫复眼的背侧和腹侧区域之间表达完全不同类型的视蛋白基因。这些差异可能会产生光敏感度的差异。四种非视觉视蛋白基因在幼虫和成虫视觉器官中几乎不表达。

蜻蜓幼虫在水下静坐，而成虫则在空中活跃飞行；因此，预计幼虫比成虫更少依赖视觉或色觉。此外，成虫复眼的背侧区域主要用于识别天空中的物体，而腹侧区域主要用于识别地面上的环境、配偶和食物。

为了适应各种类型的光环境，蜻蜓可能以特定阶段和区域的方式使其视蛋白基因多样化（图3）。幼虫表达相对较少数量的视蛋白基因，反映出较少的视觉依赖性，而成虫在其复眼中表达许多视蛋白基因。此外，即使在同一只成年复眼中，直接感知来自天空的SW偏光的背侧区域表达更多的SW视蛋白基因，而感知地面物体反射光的腹侧区域表达更多的LW视蛋白基因（图2b和3）。

蜻蜓物种之间的视蛋白基因库有所不同。因此，视蛋白基因可能是根据每个物种的栖息地或行为而进化的；例如，沙穴物种的幼虫在幼虫眼睛中缺乏 SW 视蛋白基因表达。

图3：视蛋白基因的差异表达S。频率

研究人员证明，蜻蜓根据光环境类型利用不同的视蛋白基因组，这可以通过显着增加视蛋白基因的数量来实现。进一步的研究可能会导致了解针对每种环境使用不同基因集的好处。通过进一步表征每个基因，将更全面地了解对各种光环境的适应机制。

研究人员计划分析每个感光细胞中的视蛋白基因表达，以阐明该基因的详细特征，并研究色觉的分子进化及其对各种类型光环境的适应。