CRISPR可改蝴蝶翅膀顏色和鱗片結構！或可用於製造生物顏料

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蝴蝶翅膀鱗片的色素與精妙的結構共同組成了斑斕的顏色與圖案，幫助它們將自己偽裝或吸引異性。在 7 月 3 日的《細胞報道》（Cell Reports）上，一篇文章向我們展示了僅僅修改幾個色素基因是如何改變翅膀鱗片的顏色與形態的。

研究人員使用了 CRISPR/Cas9 技術對生活在東非的偏瞳蔽眼蝶（Bicyclus anynana，或稱叢林斜眼褐蝶）的翅膀顏色進行修改，結果發現除顏色外，鱗片的表面結構與硬度也都發生了變化。研究結果表明，色素基因在翅膀鱗片的形成過程中具有雙重作用。

圖丨生活在非洲的偏瞳蔽眼蝶野生型（左）與黑色素通路 yellow 基因突變型（右）

「我們的研究表明，翅膀鱗片的顏色和結構是密切相關的，因為色素分子也會影響鱗片的結構，」本文高級作者、任職於新加坡國立大學理學院及耶魯-新加坡國立大學聯合學院的生物學家 Antónia Monteiro 說。「產生蝴蝶翅膀色素的黑色素通路的一些最終產物，在鱗片色素形成和鱗片形態上均發揮一定的作用。」

博士後研究員 Yuji Matsuoka 使用 CRISPR/Cas9 技術人為使偏瞳蔽眼蝶的 5 個基因失活，以深入了解每個基因在蝴蝶翅膀顏色中的作用。令人驚訝的是，這些突變也細微地改變了翅膀鱗片結構。當一種突變阻斷多巴-黑色素生成時，額外的一層幾丁質——一種外骨骼的纖維成分，水平地在翅膀鱗片的上表面形成。同時，當另一種阻斷多巴胺-黑色素合成基因突變時，幾丁質在鱗片上垂直地形成。

「一些蝴蝶並不產生相應的色素也可以擁有鮮艷的色彩，這是由於它們的鱗片上有一層幾丁質薄膜，薄膜能夠與射入的光線干涉，形成一種被稱為『結構性顏色』的陰影。」Monteiro 說。「反射自幾丁質薄層上表面與下表面的光束會相互干涉，而產生顏色取決於薄膜的厚度。所以在這種情況下，我們的結果或許會很有趣。」

圖丨通過刪除黑色素合成中的 yellow 與 DDC 基因能夠同時改變偏瞳蔽眼蝶翅膀鱗片的顏色與形態。

翅膀的顏色和圖案對於蝴蝶躲避捕食者和向潛在配偶發出信號至關重要；如果實驗室中引入的突變是自然發生的，它們可能會危及昆蟲的生存和繁殖。「蝴蝶的顏色一直被認為是色素性或結構性的，但我們的工作確定了第一個可能會同時限制這兩種顏色形成的進化相關候選基因。」Monteiro 說。

「翼鱗片的形態高度分化；然而，蝴蝶翅膀的發育背後的遺傳和分子機制才剛剛開始被研究，而黑色素相關產物是在這一過程中可能發揮作用的多種分子之一，」Matsuoka 說。「接下來使用其他品種蝴蝶及其他的昆蟲表皮成分的研究，將幫助我們更好、更深入地理解蝴蝶翅膀鱗片的進化和發育過程。」

圖丨偏瞳蔽眼蝶翅膀鱗片上的眼狀斑點顏色，隨著黑色素合成相關基因突變而變化。Yellow 基因突變（左），野生型（中），及 DDC 基因突變（右）。

「如果我們研究清楚生物顏色的發育遺傳學，未來的生物技術公司將能夠通過生物工程，基於蝴蝶鱗片的原理，來生成生動的、明亮的色彩，而不是用金屬通過納米製造來生成它們，納米技術目前仍是非常困難的事情，」Monteiro 說。「這些以幾丁質為基礎的顏色將是持久的、可生物降解的，並且對環境無害。」

Scientists use CRISPR to tweak butterfly wing color, change wing scale surface structure?

phys.org
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