科技圆桌派丨同样是绿瘦蛇为何颜色不同?科研人员这么说

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封面新闻 2023-03-17 17:16 55137

封面新闻记者 谭羽清

为什么同一个品种的动物颜色会不同呢?在科学界,这种差异被称作“体色多态性”,它的形成机制一直备受科学研究者的关注。蛇类是体色最为丰富的爬行动物之一,其体色多态性在不同物种间或同一物种内均有出现,为研究体色多态性的演化提供了良好模型。

绿瘦蛇及不同体色

近日,中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队结合透射电镜、组学测序和功能实验等多技术手段,对体色多态性蛇类——绿瘦蛇(Ahaetulla prasina)体色差异的分子机制进行了探讨,揭示了SMARCE1基因的关键突变是其体色差异的重要分子基础。

该研究成果发表于领域内国际知名期刊《Genome Biology》,并被选为精选论文(Featured article)。

《Genome Biology》页面截图

研究团队是如何一步步找到绿瘦蛇体色不同的原因?这项成果在科研领域又具有怎样的意义?3月17日,封面新闻记者采访了该成果论文第一作者,李家堂研究团队博士生唐晨阳。

想找出绿瘦蛇“同蛇不同色”的原因?得走这三步

据悉,爬行动物的颜色或斑纹主要由发育自神经嵴细胞的3种色素细胞,即黑色素细胞、黄色素细胞和虹彩细胞形成,这些色素细胞的排列和相互作用最终产生了不同的色彩。

为了确定是否是哪些色素细胞决定了绿瘦蛇的体色,科研人员先使用透射电镜对它们的表皮细胞结构进行了细致观察。

两种体色个体的表型研究

而后发现两种体色的绿瘦蛇在皮肤色素细胞,尤其是虹彩细胞的排列和形态上存在着明显差异。其中黄色个体的皮肤中含有更为无序和相对较厚的虹彩细胞嘌呤晶体;同时,皮肤组织的非靶向代谢组也显示了相同线索,这提示虹彩细胞的形态差异可能是绿瘦蛇两种体色差异的表型基础。

那么,虹彩细胞的形态差异是基因突变导致的吗?进一步地,团队研究测序并组装了绿瘦蛇高质量的染色体水平基因组,并对两种体色个体进行了重测序。通过全基因组关联分析(GWAS)发现,在黄色个体中,基因SMARCE1的进化保守区域存在关键错义突变p.P20S,该突变与体色变异性状高度关联;利用Alphafold进行蛋白结构预测发现,该突变会导致空间结构发生明显变化,从而可能影响蛋白结合功能;另外,皮肤转录组分析显示,色素细胞发育的重要调控因子TFEC,在两种体色群体间显著差异表达,这提示了色素细胞发育过程中的表达差异。

以上种种的数据分析都指向了基因SMARCE1的关键突变可能是绿瘦蛇体色不同的原因。于是实验到了最后一步,验证猜想。


关键基因SMARCE1功能验证实验结果

此时,团队先利用斑马鱼胚胎模型,将候选基因SMARCE1敲降后发现,胚胎虹彩细胞发育产生了明显异常,同时基因TFEC的表达也受到了影响,证实了基因SMARCE1与虹彩细胞发育过程的重要联系。

而后在细胞实验中,团队构建了敲降SMARCE1的细胞系进行免疫荧光染色实验,结果发现,TFEC向细胞核的招募受到阻碍,可能是由SMARCE1与TFEC的结合异常导致的。

这两项实验最终证明了SMARCE1突变导致结合TFEC功能异常,并最终影响色素细胞,特别是虹彩细胞的发育,进而导致了绿瘦蛇颜色的差异。

为什么要研究绿瘦蛇的颜色?

“绿瘦蛇是我国南方较为典型的树栖体色多态性蛇类,颜色特别丰富。而且作为爬行动物,它体色的形成机制复杂特殊,所以我们希望通过解析它体色形成的机制,挖掘一些脊柱动物体色多态性的线索。”唐晨阳表示,本次的成果或能为爬行动物乃至脊椎动物的体色研究提供重要的数据支撑和线索。

此外,本次的研究还丰富了“结构色”的相关资料。唐晨阳告诉记者,以往的研究大多建立在黑色素细胞、黄色素细胞这类常见色素色细胞上,而虹彩细胞却属于结构色的主要组分,它本身不呈现颜色,是靠反射不同波长的光线来形成颜色和花纹,“所以我们这个研究未来还具有一定仿生学上的意义,比如在研制仿生迷彩服的布料、花纹时,可以作为一定参考。”

评论 6

  • 剑阁县公安局驻杨村镇柏梓村第一 2024-02-12 发表于四川

  • 八窝龙乡下铺子村第一书记彭扎西 2023-03-30 发表于四川

    已学习。

  • 仪陇县金子村第一书记 2023-03-18 发表于四川

    好恐怖

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