공생 진화 및 생물학적 기능 바카라 족보 그룹, 산업기술종합바카라 족보소(AIST, 원장: 노마쿠치 타모츠) 생물생산 바카라 족보소(원장: 가마가타 요이치)의 후타하시 료(바카라 족보원)와 후카츠 다케마(리더) 등이 고추잠자리의 체색이 노란색에서 노란색으로 변하는 것을 발견했습니다 색색소라 불리는 색소의 산화환원반응을 통해 붉은색을 띤다(그림 1)

빨간잠자리 수컷과 암컷 모두 미성숙한 성체 단계에서는 노란색이지만 성숙하면 수컷은 빨간색으로 변합니다 이는 산화된 색색소가 환원된 형태로 변화하기 때문입니다 산화환원 기반의 극적인 체색 변화는 이전에 보고된 바가 없습니다 빨간색으로 변하는 세포는 환원형 색소의 존재로 인해 항산화 상태에 있습니다 이러한 체색 변화의 분자 메커니즘에 대한 추가 조사는 유기체에서 항산화 상태가 어떻게 유지되는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다

이 바카라 족보는 다음에서 온라인으로 출판되었습니다미국 국립과학원의 논문집, 미국 과학 저널, 2012년 7월 10일(JST)

그림 1 : 여름 다터의 체색 차이 수컷은 감소된 색색소 색소를 더 많이 함유하고 있으며 암컷보다 더 높은 항산화 활성을 나타냅니다

거의 모든 일본 사람들은 향수를 불러일으키는 일본 노래 "Aka Tombo(빨간 잠자리)"(작사: 미키 로후; 멜로디: 야마다 코사쿠)를 알고 있습니다 푸른 하늘에 솟아오르는 고추잠자리는 전통적으로 일본에서 가을의 상징으로 여겨져 왔습니다

그런데 잠자리는 왜 빨간색입니까? 실제로 아름다운 고추잠자리는 성숙한 수컷이고, 암컷과 새로 출현한 미성숙 수컷은 칙칙한 노란색을 띕니다 수컷과 암컷의 서로 다른 체색은 짝짓기와 영토 행동 이전에 파트너를 인식하는 데 중요한 역할을 합니다(그림 2) 곤충 및 기타 동물의 체색 변화에 대한 몇 가지 메커니즘이 보고되었습니다(예: 색소의 합성 및 분해, 색소의 국소화 변화, 음식에서 색소의 축적) 그러나 고추잠자리의 체색 변화의 기본 메커니즘은 알려져 있지 않습니다

그림 2 : 미성숙 및 성숙한 스칼렛 스키머의 체색 (Crocothemis servilia) 남녀 모두

AIST는 다양한 환경에 적응하기 위한 곤충의 정교한 생물학적 기능을 조사해 왔으며 그 중 하나는 곤충의 중요한 생태학적 특징에 기초가 되는 체색의 메커니즘입니다(예: 공생 박테리아가 진딧물의 체색을 변경함, 2010년 11월 19일 AIST 보도 자료) 많은 잠자리 종은 성체가 되면 몸 색깔이 극적으로 변하지만, 그 과정의 기초가 되는 분자 메커니즘은 알려져 있지 않습니다 본 바카라 족보에서는 고추잠자리의 체색 변화의 기본 메커니즘을 조사합니다

이 바카라 족보는 일본 과학 진흥 협회의 젊은 과학자를 위한 보조금(B) "잠자리의 체색 변화 및 체색 다형성의 분자 기반 조사"와 문부과학성의 혁신 분야 과학 바카라 족보 보조금 "복잡한 적응 특성의 진화를 위한 유전적 기반"의 지원을 받았습니다 기술

고추잠자리 세 종, 즉 가을시어에 존재하는 색소 (Sympetrum frequens), 여름 다터(Sympetrum darwinianum),그리고 스칼렛 스키머(Crocothemis servilia)을 추출하고 특성화했습니다 두 가지 서로 다른 색색소 색소(잔토마틴과 탈탄산 잔토마틴)가 이 모든 종에서 공통적으로 확인되었습니다(그림 3)

그림 3 : 고추잠자리에서 확인된 두 가지 서로 다른 색색소 색소 안료의 산화된 형태는 황색을 띠고 환원된 형태의 색소는 붉은색을 띕니다

이전 바카라 족보에서는 색색소 색소의 색이 체외에서 산화환원 반응에 의해 가역적으로 변하는 것으로 보고되었습니다 본 바카라 족보에서는 산화제나 환원제를 첨가했을 때 고추잠자리에서 추출된 색소의 색이 산화제가 있는 경우 빨간색에서 노란색으로, 환원제가 있는 경우 노란색에서 빨간색으로 가역적으로 변화했습니다 또한, 살아있는 잠자리에 환원제인 아스코르빈산(비타민 C)을 주입한 경우, 미성숙 수컷과 성숙한 암컷 모두 노란색을 띠는 몸 색깔이 성숙한 수컷에서 관찰되는 것처럼 빨간색으로 변했습니다(그림 4, 상단) 잠자리에서 추출한 색소의 산화환원 조건을 전기화학적으로 측정하고 산화된 색소와 환원된 색소의 비율을 정량화하였다 성숙한 수컷만이 감소된 색색소 색소의 비율이 매우 높은 것으로 나타났습니다(그림 4, 하단) 이러한 결과는 성숙한 고추잠자리의 성별에 따른 색상 변화가 주로 색색소 색소의 산화환원 상태에 의해 조절된다는 것을 나타냅니다

그림 4 : (위) 화살표로 표시된 위치에 환원제 주입에 따른 잠자리의 황적색 체색 변화 (아래) 성체 잠자리의 복부에서 추출한 색색소의 감소된 형태 비율(평균 10마리 이상의 잠자리, 표준편차 있음)

아스코르브산과 같은 수용성 항산화제(환원제)의 축적은 식물에서 종종 관찰됩니다 이러한 항산화제는 성숙한 고추잠자리 수컷에서 합성 및/또는 축적될 수 있으며 색색소 색소의 감소에 관여할 수 있습니다 잠자리 표피 물 추출물의 항산화 활성을 측정한 결과, 성숙한 암컷보다 성숙한 수컷에서 더 강한 항산화 활성이 검출되었습니다(그림 5) 분석 결과 감소된 색색소 색소가 이들 수컷에 존재하는 항산화제의 주요 구성요소인 것으로 나타났습니다

그림 5 : 산화환원 전류 측정 결과 성숙한 노란색 여성보다 성숙한 빨간색 남성에서 더 많은 항산화 활동이 발견되었습니다

수컷 특유의 잠자리 색깔 변화는 번식 성공을 위해 생태학적으로 중요한 특성으로 간주되어 왔습니다 이 바카라 족보의 결과는 착색이 또 다른 생물학적 역할을 할 수 있음을 시사합니다 성숙한 수컷의 강력한 항산화 능력은 자외선으로 인한 산화 스트레스를 줄이기 위해 뜨거운 태양 아래서의 영토 행동과 관련이 있을 수 있습니다

이전에 알려지지 않은 동물 메커니즘, 즉 색소의 산화환원 반응에 의한 고추잠자리의 체색 변화가 밝혀졌습니다 붉은색 성숙한 수컷은 항산화 상태를 나타내며, 이 붉은 색은 건조된 표본에서도 오랫동안 유지되므로 색소가 감소된 상태로 유지되는 어떤 메커니즘이 있을 수 있습니다 추가 조사를 통해 항산화 메커니즘에 대한 새로운 이해가 이루어질 수 있습니다

바카라 족보원들은 고추잠자리의 체색 변화에 기초가 되는 분자 메커니즘을 조사하기 위해 포괄적인 시퀀싱 기술을 사용하여 유전자 발현 분석을 수행할 것입니다 이러한 접근을 통해 색소가 효율적으로 환원된 형태로 변환되는 메커니즘과 색소의 항산화 상태가 어떻게 유지되는지를 이해함으로써 유용한 천연 항산화제를 개발할 수 있을 것이다