近日，河北大學(xué)康樂院士環(huán)境適應(yīng)與生態(tài)基因組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以Cytosolic and mitochondrial ribosomal proteins mediate the locust phase transition via divergence of translational profiles為題，在國(guó)際著名綜合性期刊美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）上發(fā)表重要研究成果，率先闡釋了蝗蟲型變這一典型表型可塑性的翻譯調(diào)控新機(jī)制。

表型可塑性或稱非遺傳性多型（Phenotypic plasticity/polyphenism）是指同一基因型受環(huán)境的不同影響而產(chǎn)生的不同表型，是生物對(duì)環(huán)境的一種適應(yīng)，這種現(xiàn)象在生物界普遍存在。昆蟲的多型性現(xiàn)象更加普遍，而蝗蟲從散居型（Solitary phase）向群居型（Gregarious phase）的轉(zhuǎn)變不僅是表型可塑性的典型代表，還是蝗災(zāi)暴發(fā)的生物學(xué)基礎(chǔ)。由于蝗蟲型變的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的生理、生態(tài)和行為學(xué)的研究難以揭示型變的內(nèi)在機(jī)制。從上世紀(jì)末本世紀(jì)初，康樂院士研究團(tuán)隊(duì)開始了一種新的嘗試，通過(guò)生態(tài)基因組學(xué)方法深入闡明蝗蟲表型可塑性的分子調(diào)控機(jī)制。前期研究主要集中在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、表觀調(diào)控以及代謝調(diào)控等水平上解釋蝗蟲、行為、體色、生殖、飛行等表型調(diào)控的分子機(jī)制，同時(shí)也暗示兩型轉(zhuǎn)變這一可塑性過(guò)程可能存在翻譯水平的動(dòng)態(tài)調(diào)控。

該項(xiàng)研究繼續(xù)從“找差異”、“驗(yàn)功能”和“明機(jī)制”研究思路出發(fā)，探究飛蝗行為可塑性的翻譯調(diào)控新機(jī)制。“找差異”：首先利用核糖體圖譜技術(shù)對(duì)飛蝗兩型轉(zhuǎn)變過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)了群、散飛蝗具有明顯不同的核糖體組成特征。群居飛蝗（Gregarious locust）具有更為豐富的60S大亞基和多聚核糖體；而散居飛蝗（Solitary locust）的80S單核糖體較為豐度和特殊的半聚體。更重要的是，核糖體圖譜隨著種群密度的變化而發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)改變，核糖體60S大亞基變化最為明顯，表現(xiàn)出獨(dú)殊的分子可塑性特征。首次運(yùn)用翻譯組與轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析，篩選到分別來(lái)自細(xì)胞質(zhì)和線粒體的核糖體蛋白基因RPL7、PRL44和MRPS18C在群散飛蝗中翻譯效率存在明顯差異。“驗(yàn)功能”：隨后，通過(guò)RNA干擾、核糖體圖譜分析以及行為監(jiān)測(cè)等方法驗(yàn)證結(jié)果顯示，在群居型飛蝗中細(xì)胞質(zhì)核糖體蛋白基因RPL7的高翻譯效率促進(jìn)了核糖體60S大亞基的積累，并表現(xiàn)為典型群居行為。而散居型飛蝗則通過(guò)線粒體核糖體蛋白基因MRPS18c翻譯水平高表達(dá)，誘導(dǎo)典型散居核糖體圖譜以及行為表型。“明機(jī)制”：行為可塑性是飛蝗響應(yīng)種群密度變化過(guò)程中發(fā)生最快、最顯著的反應(yīng)，對(duì)飛蝗聚群起關(guān)鍵作用。同一基因型的群散居飛蝗分別在翻譯水平高表達(dá)RPL7和MRPL18C基因，調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)和線粒體核糖體組分豐度，進(jìn)而產(chǎn)生不同行為表現(xiàn)。因此，揭示了飛蝗在應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的種群密度變化時(shí)，調(diào)用兩種不同的翻譯策略的獨(dú)特原理。這種通過(guò)調(diào)整核糖體組分變化來(lái)適應(yīng)環(huán)境的策略可能廣泛存在于生物界中，而并非傳統(tǒng)認(rèn)為的核糖體豐度降低就意味著整體翻譯效率下降。河北大學(xué)康樂院士研究團(tuán)隊(duì)首次從翻譯層面提出了由種群密度變化引發(fā)的核糖體組分“分子可塑性”，調(diào)控了飛蝗“行為可塑性”這一論點(diǎn)，將行為可塑性與翻譯策略進(jìn)行連接、闡述，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)生物表型可塑性的本質(zhì)具有重要意義，還為理解蝗蟲聚群成災(zāi)機(jī)制提供新線索。

該論文是河北大學(xué)研究生首篇PNAS文章。河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在讀博士研究生李靜為該論文第一作者，魏麗亞副教授和康樂院士為論文通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216851120

(生命科學(xué)學(xué)院、科學(xué)技術(shù)處供稿)