国立先进产业技术综合研究所 [会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）生物过程研究部 [研究主任：田村智博] 生物共生进化机制研究组 首席研究员 二桥亮 材料测量标准研究部首席研究员 武间深津 [研究主任：高津明子] 生物医学标准研究组 Ken川口大学医学院[校长绀野博之]（以下简称“滨松医科大学”）光学尖端医学教育研究中心纳米服开发研究部特聘教授张山隆彦，综合人类科学生物学系山滨由美博士，国立大学法人名古屋工业大学[校长宇井博之]（以下简称“名古屋工业大学”）研究生院工学部生命与应用化学系副教授石井大辅、东京农业大学生命科学部矢岛俊介教授（校长高野胜美，以下简称“东京农业大学”）和生物资源基因组分析中心博士后研究员川原丽香（Miki）共同鉴定了一种源自蜻蜓的紫外线反射物质。
广泛分布于日本各地潮冈蜻蜓雄性在成熟过程中会分泌反射紫外线的蜡。这次，紫外线反射蜡与其他已知的生物蜡不同。极长链甲基酮和极长链醛（其具体功能和性质很大程度上未知）被发现是主要成分。此外，通过化学合成并结晶极长链甲基酮，可再现强紫外线反射性和防水性。
该研究成果于2019年1月15日（英国时间）发表在英国学术期刊上电子生活
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中国蜻蜓分泌的紫外反射蜡的精细结构和防水性（左和中）（右）
在中间的照片（通过紫外线透射/可见光吸收滤镜拍摄）中，紫外线的反射呈现白色。 |
地球上的各种动植物都会在体表反射紫外线，这被认为对于视觉交流和抵御紫外线非常重要。到目前为止，对这些生物体紫外线反射的研究主要集中在阐明其体表的微观结构，而关于紫外线反射物质的化学成分以及参与紫外线反射结构产生的基因仍然未知。
盐卡拉蜻蜓是一种常见的蜻蜓，栖息在日本各地，经常在阳光强烈的水体附近看到成年雄性蜻蜓。人们知道，成年雄性蜻蜓的体表覆盖着能反射紫外线的蜡，但蜡的成分以及参与蜡产生的基因却完全未知。
AIST 一直致力于阐明各种昆虫物种的高级生物学功能。生物过程研究部还在昆虫体色方面取得了成果，昆虫的体色具有重要的生态功能。2010 年 11 月 19 日、2012 年 7 月 10 日、2015 年 2 月 24 日 AIST 新闻稿）。材料测量标准研究部拥有材料精密分析的记录。滨松医科大学拥有与昆虫和生物材料的结构颜色相关的研究记录。名古屋工业大学在生物表面微观结构及其用途方面有着丰富的研究记录。东京农业大学作为“生物资源基因组分析中心”下一代测序仪进行生物体遗传分析的跟踪记录。这次，我们利用各研究机构过去积累的研究成果，合作研究了蜻蜓用紫外线反射蜡。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (18H04893)、基础研究 B (JP18H02491) 和挑战性探索性研究 (JP26660276) 的部分支持。
日本蜻蜓未成熟的成虫呈稻草色（又称麦秆蜻蜓），但在成熟过程中，雄性在体表分泌蜡质，全身变成白色的浅蓝色（图1）。当我们测量白胸蜻蜓体表的光反射率时，我们发现，在成熟的雄性蜻蜓中，短波长（特别是紫外线（UV）区域）的光反射率主要在背侧增加，同时它们分泌蜡（图2）。
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图1 日本蜻蜓在成熟过程中体色的变化
在通过紫外线透射/可见光吸收滤光片拍摄的照片（下排）中，紫外线的反射呈现白色。 |
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图2 雄性和雌性蜻蜓成熟时体色和光反射率的变化
N 表示个体数量。图表的实线（背侧）和虚线（腹侧）表示平均值，彩色区域（误差线）表示标准偏差。 |
此外，在由于身体表面划痕而导致蜡脱落的区域，紫外线的反射率急剧下降，这证实了蜡对于反射紫外线至关重要。此外，当使用电子显微镜观察体表时，分泌蜡的成年雄性体表覆盖着细小的鳞片状结构（图3）。
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图3 雄性和雌性蜻蜓成熟过程中体表精细结构的变化
（腹部的背侧，图2中实线箭头所示的蜻蜓的一部分） |
接下来，我们对日本蜻蜓的紫外线反射蜡进行了鉴定，发现其主要成分是三种极长链甲基酮和四种极长链醛（图4）。以这些物质为主要成分的蜡在其他生物中尚未发现（已知其他生物以脂肪烃、长链酯、醇、游离脂肪酸等为主要成分），而人们发现蜻蜓分泌的蜡具有特殊的成分。此外，当我们对密切相关的物种大蜻蜓和纳图阿坎的蜡成分进行类似分析时，我们发现，在这两个物种中，由于蜡的分泌，紫外线的反射率增加，但蜡成分和反射率因蜻蜓的种类、性别和腹部区域而异。在阳光下活跃的物种往往具有较高的紫外线反射率，而在阳光下静止时交配的物种（雌性腹侧朝上）会在雌性腹侧分泌蜡，这表明与栖息地和行为有关。在这次调查的区域中，一只成年雄性耐晒蜻蜓的背侧表现出最强的紫外线反射率。
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图 4 从三种蜻蜓腹部鉴定出的蜡成分
蜡的成分不仅在物种之间存在差异，而且在雄性和雌性之间以及腹部的背侧和腹侧之间也存在差异。
2-二十五烷酮和二十四烷醛的结构作为代表性实例显示。
图中“+”的数量和单元格的颜色代表蜡成分的量。 |
仅在日本蜻蜓（成年雄性，背侧）中观察到最强的紫外线反射，极长链甲基酮是蜡的主要成分，这表明极长链甲基酮可能有助于提高紫外线反射率。因此，当化学合成超长链甲基酮（2-二十五烷酮）并重结晶时，会自组织出类似于蜻蜓体表的微观结构，从而产生很强的紫外线反射能力和拒水性（接触角大约为160°）也被再现（图5）。紫外线反射和防水性的强度也根据重结晶方法而不同，当材料溶解在己烷中并通过重复小滴和干燥（滴落）进行重结晶时，确认了最强的紫外线反射和防水性（图5）。
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图5 化学合成的2-二十五烷酮与Shiokara蜻蜓（成年雄性，背侧）的蜡（左）的表面微观结构、防水性和光反射率的比较
2-二十五烷酮以三种方式重结晶（滴加、快速冷却、缓慢冷却）。
2-二十五烷酮还具有类似于蜻蜓的微观结构、高防水性和紫外线反射性，特别是通过滴落重结晶时。
N 表示个体或样本的数量。 |
我们使用下一代测序仪全面分析了雄性和雌性蜻蜓成熟过程中的基因表达。因此，与雄性背蜡产生的时间和区域有很强的相关性ELOVL17基因被识别（图6）。该基因在半成年雄性蜻蜓的腹背侧区域强烈表达。虽然在正常雌性中几乎没有观察到表达，但在野外却很少观察到男 女ELOVL17基因是极长链脂肪酸合成的基因家族，因此该基因被认为是负责蜻蜓中紫外线反射蜡合成的基因的有力候选者。
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图6 日本蜻蜓与蜡产生强相关的基因表达分析
纵轴表示通过下一代测序仪分析确定的表达水平。 |
这一次，蜻蜓使用了与其他生物成分不同的蜡来实现紫外线反射和防水。这是关于生物体内的紫外线反射的新知识，即使使用化学合成蜡也可以再现紫外线反射和防水性，因此将来有可能用作新的生物材料。
未来，我们将更详细地研究蜻蜓紫外线反射蜡的生态特性，包括其稳定性和抗菌特性。
论文名称：蜻蜓蜡基颜色变化和紫外线反射的分子基础
作者：二桥亮1，山滨由美2，川口肯1，森直树3，石井大辅4，奥德元太1,5，平井雄二6，河原丽香（三木）7，吉武一俊5，矢岛俊介7，张山贵彦2，武间深津1,5, 8
隶属关系：1。国立产业技术综合研究所、2 滨松医科大学、3 京都大学、4 名古屋工业大学、5 东京大学、6 千岁科技大学、7 东京农业大学、8 筑波大学
杂志名称：网上生活
DOI：107554/eLife43045