近日，河北大学康乐院士环境适应与生态基因组学研究团队以Cytosolic and mitochondrial ribosomal proteins mediate the locust phase transition via divergence of translational profiles为题，在国际著名综合性期刊美国国家科学院院刊（PNAS）上发表重要研究成果，率先阐释了蝗虫型变这一典型表型可塑性的翻译调控新机制。
表型可塑性或称非遗传性多型（Phenotypic plasticity/polyphenism）是指同一基因型受环境的不同影响而产生的不同表型，是生物对环境的一种适应，这种现象在生物界普遍存在。昆虫的多型性现象更加普遍，而蝗虫从散居型（Solitary phase）向群居型（Gregarious phase）的转变不仅是表型可塑性的典型代表，还是蝗灾暴发的生物学基础。由于蝗虫型变的复杂性，传统的生理、生态和行为学的研究难以揭示型变的内在机制。从上世纪末本世纪初，康乐院士研究团队开始了一种新的尝试，通过生态基因组学方法深入阐明蝗虫表型可塑性的分子调控机制。前期研究主要集中在转录调控、表观调控以及代谢调控等水平上解释蝗虫、行为、体色、生殖、飞行等表型调控的分子机制，同时也暗示两型转变这一可塑性过程可能存在翻译水平的动态调控。
该项研究继续从“找差异”、“验功能”和“明机制”研究思路出发，探究飞蝗行为可塑性的翻译调控新机制。“找差异”：首先利用核糖体图谱技术对飞蝗两型转变过程进行了动态分析，发现了群、散飞蝗具有明显不同的核糖体组成特征。群居飞蝗（Gregarious locust）具有更为丰富的60S大亚基和多聚核糖体；而散居飞蝗（Solitary locust）的80S单核糖体较为丰度和特殊的半聚体。更重要的是，核糖体图谱随着种群密度的变化而发生相应的动态改变，核糖体60S大亚基变化最为明显，表现出独殊的分子可塑性特征。首次运用翻译组与转录组联合分析，筛选到分别来自细胞质和线粒体的核糖体蛋白基因RPL7、PRL44和MRPS18C在群散飞蝗中翻译效率存在明显差异。“验功能”：随后，通过RNA干扰、核糖体图谱分析以及行为监测等方法验证结果显示，在群居型飞蝗中细胞质核糖体蛋白基因RPL7的高翻译效率促进了核糖体60S大亚基的积累，并表现为典型群居行为。而散居型飞蝗则通过线粒体核糖体蛋白基因MRPS18c翻译水平高表达，诱导典型散居核糖体图谱以及行为表型。“明机制”：行为可塑性是飞蝗响应种群密度变化过程中发生最快、最显著的反应，对飞蝗聚群起关键作用。同一基因型的群散居飞蝗分别在翻译水平高表达RPL7和MRPL18C基因，调节细胞质和线粒体核糖体组分丰度，进而产生不同行为表现。因此，揭示了飞蝗在应对外界环境的种群密度变化时，调用两种不同的翻译策略的独特原理。这种通过调整核糖体组分变化来适应环境的策略可能广泛存在于生物界中，而并非传统认为的核糖体丰度降低就意味着整体翻译效率下降。河北大学康乐院士研究团队首次从翻译层面提出了由种群密度变化引发的核糖体组分“分子可塑性”，调控了飞蝗“行为可塑性”这一论点，将行为可塑性与翻译策略进行连接、阐述，不仅对认识生物表型可塑性的本质具有重要意义，还为理解蝗虫聚群成灾机制提供新线索。
该论文是河北大学研究生首篇PNAS文章。河北大学生命科学学院在读博士研究生李静为该论文第一作者，魏丽亚副教授和康乐院士为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目的支持。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216851120
(生命科学学院、科学技术处供稿)
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