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萤火虫为何能发光?如何控制发光?未解之谜揭开→
发布日期:2024-03-16 02:55    点击次数:108

△繁星和萤火虫交相辉映。(付新华教授团队供图)

“囊萤映雪”“罗扇扑萤”,是中国传统文化中流传千古的典故,古往今来,如精灵一般照亮夜空的萤火虫,承载着人们对田园生活诗意栖居的美好记忆。但萤火虫为何能发光?又是如何控制发光的?这两个问题,一直是科学界的未解之谜。

△一只雄性雷氏萤正在飞行中发光,寻找配偶。(付新华教授团队供图)

不久前,华中农业大学教授付新华研究团队在施普林格·自然旗下学术期刊《自然-通讯》发表一篇遗传学研究论文,该研究揭开了萤火虫发光的奥秘。

△图为5至7天的蛹期中,萤火虫成虫发光器从无到有,快速发育成熟并发光。(付新华教授团队供图)

萤火虫的发光是一种生物化学反应,是由荧光素酶、荧光素、氧气、镁离子、腺嘌呤核苷三磷酸等经过高效生化反应而产生的冷光。“萤火虫成虫发光器的发育机制和闪光控制机制是萤火虫研究中两个最基本的问题,也是最难的问题。”付新华介绍,一直以来,科学家对萤火虫的研究方向都围绕着荧光素酶和荧光素展开。

△沉默关键的转录因子AlAbd-B或AlUnc-4,都会导致萤火虫不能发光。(付新华教授团队供图)

2018年,付新华团队利用比较基因组学、比较转录组学及基因干扰等技术,对我国独有的一种水栖萤火虫的早、中、晚期发光器进行了研究之后,锁定了“Homeobox转录因子”。这是一类发育调控基因,掌管着动物形体的发育,包含近百个基因,其中有两个关键的转录因子“AlAbd-B”和“AlUnc-4”。二者通过互作启动并调控荧光素酶、也就是发光蛋白的表达。其中任何一个转录因子丧失功能,都会导致萤火虫不发光。

研究同时发现,从细胞层面上看,萤火虫发光靠的是“荧光素酶”在“过氧化物酶体”这个细胞器中发挥作用。而荧光素酶往往在细胞质中大量表达,要让荧光素酶进入过氧化物酶体,则离不开过氧化物酶体的跨膜转运蛋白。而AlAbd-B和AlUnc-4正是调控过氧化物酶体的跨膜转运蛋白,对荧光素酶蛋白进行转运的两个转录因子。

△萤火虫组成的“银河”在草地上方流动。(付新华教授团队供图)

付新华表示,每一种萤火虫发光器的形状、频率都有所不同,具有种特异性,这也是萤火虫生物多样性的体现。因此,弄清萤火虫成虫的发光机制,对保护萤火虫生物多样性具有重要意义。



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