米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）生物过程研究部生物共生进化机制研究组首席研究员二桥亮、首席研究员森山稔、首席研究员深津武间（东京大学研究生院理学研究科教授（兼））是生物学系博士生奥出健太东京大学理学研究科生物科学研究科（当时）。前AIST技术研修生（现任日本学术振兴会、国立遗传学研究所生态遗传学实验室特别研究员）、东京农业大学（以下简称“东京农业大学”）生命科学部矢岛俊介教授、生物资源基因组分析中心前博士后研究员河原丽香（Miki），与参与开发的前博士后研究员河原（Miki）合作蜻蜓从幼虫到成虫。变态所需的基因组并确定了三种重要类型转录因子他们发现其中一个转录因子决定其他昆虫的蛹性状，它控制着产生幼虫性状和蜻蜓成虫性状的基因，而蜻蜓没有蛹期。这是一个重要的结果，揭示了昆虫多样性的变态过程。
请注意，该研究成果将发表在美国学术期刊《美利坚合众国国家科学院院刊''（《美国国家科学院院刊》）。
蜻蜓的幼虫和成虫：特征通过变态发生显着变化
昆虫构成了生物物种的大多数。大多数昆虫通过变态（从幼虫到成虫的转变）改变其形态和行为。通过变态适应各种环境和食物的能力被认为是昆虫繁荣的主要因素。从害虫防治的角度来看，参与昆虫特异性变态的分子也引起了人们的关注，因为它们可以作为对人类和牲畜危害较小的昆虫生长调节剂的靶标，并为农用化学品的开发提供线索。
昆虫变态的分子机制是幼虫和成虫之间有一个“蛹”阶段，如果蝇和蚕完全变态的昆虫另一方面，像蚱蜢和蟑螂这样没有蛹期的昆虫，不完全变态昆虫在不完全变态昆虫中，蜻蜓从幼虫到成虫，不经过蛹期，在形态和生态上发生了巨大的变化，但参与变态的具体基因尚未阐明。
AIST 的生物过程研究部门正在致力于阐明各种昆虫物种的高级生物功能。2010 年 11 月 19 日、2012 年 7 月 10 日、2015 年 2 月 24 日、2019 年 1 月 15 日 AIST 新闻稿) 以及与昆虫变态相关的共生细菌作用的变化 (2020 年 6 月 11 日 AIST 新闻稿)已取得成果。在东京农业大学，我们与文部科学省建立了联合研究中心，作为生物资源基因组分析的基地。下一代测序仪进行生物遗传分析的跟踪记录在这项研究中，我们关注的是蜻蜓，它们的形态发生了巨大的变化，从生活在水下的纯色幼虫到生活在陆地上的颜色鲜艳的成虫，并致力于识别对这种变态至关重要的基因。本研究的一部分得到了文部科学省和日本振兴会的科学研究补助金（JP18J21561）、创新领域研究（18H04893、JP20H04936）和基础研究B（JP18H02491、JP19H03287）的支持科学。
蜻蜓在幼虫阶段生活在水下，身体呈黑色，但一旦蜕变成成虫，它们就会利用发达的视觉在空中积极飞行，而且有许多物种的雄性和雌性的体色差异很大。然而，涉及幼虫和成虫性状的具体基因仍然未知。它是豆娘的一种奥蒙石蜻蜓（图1），我们使用下一代测序仪全面分析了身体各个部位在各个发育阶段的基因表达。结果，他们发现了八个仅在幼虫阶段在全身表达的基因和七个仅在成虫阶段在全身表达的基因。
图1实验中使用的蓝腹蜻蜓和黄斑蜻蜓
白色箭头表示幼虫的蜕壳（新生壳）。
关于这15种基因，针对蜻蜓的腹部表皮本地RNAi方法，我们抑制了该基因的功能，并分析了幼虫和成虫的性状是否发生变化。结果，蓝蜻蜓越明汤坊Kr-h1基因，E93基因，广泛抑制三种基因转录因子的功能揭示了与变态相关的不同表型。
Kr-h1该基因是一种转录因子，参与维持许多昆虫的幼虫性状，在蜻蜓中，该基因从卵到幼虫都表达。末龄幼虫（在下一次蜕皮时变成成虫的幼虫）没有出现。Kr-h1已证实，基因功能被局部抑制的幼虫在受影响区域出现类似成虫的体色和表面结构，并且能够发育成成虫（图2）。
图 2 在蜻蜓中Kr-h1基因的功能分析
腹部部分基因表达受到抑制。
白色箭头是Kr-h1基因局部受到抑制的幼虫表现出类似成虫的体色。
E93该基因是许多昆虫成虫性状形成的重要转录因子，并已证实在蜻蜓的终龄幼虫中期表达。E93在具有局部抑制基因功能的成虫中Kr-h1与基因相反，该部位可以看到类似幼虫的体色和表面结构，E93该基因被发现对于成人发育至关重要（图 3）。
图 3 在蜻蜓中E93基因的功能分析
白色箭头是E93显示在具有局部抑制基因的成虫中看到的类似幼虫的区域。
使用扫描电子显微镜观察幼虫样区域和正常区域之间的边界的表面结构。
广泛该基因作为转录因子，决定具有蛹期的完全变态昆虫的蛹性状，而在没有蛹期的蟋蟀 (Loccipida) 和蟑螂 (Cockroaches) 中，该基因在成虫中充当转录因子翼的开发和产卵器。蜻蜓广泛该基因被证实从卵到最后龄幼虫的前半段都有表达。广泛在基因功能受到局部抑制的幼虫中观察到灰色，但是Kr-h1与遗传学不同，没有观察到雄性和雌性之间的差异，并且由于它们具有与幼虫相似的表面结构，因此人们认为这些性状与成虫的性状不同（图4）。
图 4 在蜻蜓中广泛基因分析
白色箭头是广泛显示基因局部受到抑制的幼虫中出现的灰色。
Kr-h1基因，E93基因，广泛由于所有基因都充当转录因子，因此预计它们将控制直接涉及幼虫和成虫特征特征（例如表皮形成和色素合成）的基因的功能。为了详细阐明这一点，我们分别从蜻蜓幼虫表皮的RNAi区域和未处理区域提取RNA，并进行全面的基因表达分析。Kr-h1基因，广泛基因，E93我们发现了许多受三种转录因子调控的基因。其中，有预计参与成虫鲜艳体色形成的色素合成基因，也有预计参与幼虫与成虫不同体表结构形成的基因角质层它含有许多蛋白质基因。另外，Kr-h1通过基因 RNAiKr-h1在基因表达受到抑制的区域，我们证实了基因表达模式的整体成虫化，其中在幼虫阶段在表皮中起作用的基因（幼虫表皮特异性基因）受到抑制，而同时在表皮中起作用的基因（成虫表皮特异性基因）在成年时被激活。另一方面，在最后龄幼虫广泛在该基因的RNAi区域中，确认诱导了成人表皮特异性基因的表达（Kr-h1与基因的RNAi区域相比，表达被诱导的基因数量较少），并且在幼虫表皮特异性基因中确认了一些表达被抑制的基因（Kr-h1与基因的RNAi区域相比，表达受到抑制的基因数量很少）。像这样，广泛通过抑制基因功能，观察到部分基因表达模式变为成年（图5）。
图 5 在蜻蜓中Kr-h1基因和广泛基因功能受到抑制时基因表达模式的变化
与未经处理的幼虫表皮和成虫表皮中的基因表达相比。
洋红色代表高表达水平的基因，绿色代表低表达水平的基因。
蜻蜓的发育过程中Kr-h1基因，E93基因，广泛基因的作用如图 6 所示。幼虫期Kr-h1参与维持幼虫性状和成虫发育过程的基因E93蜻蜓与其他昆虫本质上相似，因为基因很重要，但在最后的幼虫阶段，这两个基因的功能会发生切换。广泛 基因部分控制幼虫和成虫性状这一事实是一项新发现，尚未在其他昆虫中报道过。
图6蜻蜓的发育过程Kr-h1基因，E93基因，广泛基因作用总结
其他昆虫Kr-h1基因，E93基因，广泛已知三种基因转录因子相互调节彼此的基因（图7）。对蜻蜓中这些基因的调控关系进行详细分析的结果，Kr-h1基因是E93基因被抑制，Kr-h1在基因的 RNAi 区域，E93我们证实该基因在早期表达并且昆虫成为成虫。另外，在没有蛹期的蜻蜓中，如图7红色所示广泛我们发现基因的作用与其他昆虫不同，它们对于控制与幼虫性状相关的基因和与成虫性状相关的基因都很重要（图7）。
图7昆虫进化过程中的三类转录因子(Kr-h1、广泛、E93)
在进化过程中基因之间的调控关系发生变化的部分以红色显示。
→表示表达被诱导，⊣表示表达被抑制。
这次，研究人员成功鉴定了蜻蜓从幼虫到成虫变态所必需的一组基因，这些基因在大约 4 亿年前与其他昆虫分化。他们还发现，对控制变态很重要的三种转录因子在蜻蜓中具有与其他昆虫不同的调节关系。这是关于控制昆虫变态并决定完全变态昆虫蛹性状的分子机制的新发现广泛这是了解昆虫基因功能如何进化的重要发现。
参与昆虫变态的因素将导致昆虫生长调节剂的开发。因此，阐明变态分子基础的多样性可能会导致开发出对特定昆虫有效的杀虫剂。另一方面，Kr-h1基因，广泛基因，E93这三种转录因子控制的基因的具体作用以及每种基因在昆虫中的保守程度还有很多未知之处。将来，我们将使用本研究获得的结果Kr-h1、广泛、E93中三类基因控制的基因组进行全面的基因功能抑制实验，进一步阐明产生幼虫和成虫形态的详细分子机制。
已出版的杂志：美利坚合众国国家科学院院刊
论文标题：最古老的有翅昆虫变态的分子机制
作者：Genta Okude、Minoru Moriyama、Ryouka Kawahara-Miki、Shunsuke Yajima、Takema Fukatsu、Ryo Futahashi