程序性表型轉變是指生物通過不可逆的基因表達調控實現特定生活史策略的演化現象。在發育過程中，動物通過一系列表型适應來産生不同生命階段的生存策略。體色作為程序性表型轉變的顯性表征，在動物生存策略中承擔關鍵功能，涉及拟态、喬裝等适應性欺騙機制。程序性體色轉變因其可溯源的遺傳調控路徑和明晰的生态适應價值，已成為解析程序性表型轉變分子機制的重要系統。蘭花螳螂（Hymenopus coronatus）因其與花相似的表型在Alfred Russel Wallace的《達爾文主義》中被首次記載，其若蟲期經曆一次顯著體色轉變：一齡若蟲呈現黑紅色，蛻皮後轉為與花相似的白粉色。這種發育階段特異的體色策略，使得蘭花螳螂成為研究程序性體色轉變的理想模型。

2025年5月30日，beat365官方网站、基因功能研究與操控全國重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心張蔚課題組與合作者在Nature Ecology & Evolution上發表了題為“The pigment transporter Redboy confers programmed body colour transition in orchid mantis”的研究論文。研究整合多組學、分子生物學、生态學等方法，以蘭花螳螂為研究系統，對于其程序性體色轉變的分子機制及适應性意義進行了深入探究。該研究詳細表征了蘭花螳螂的程序性體色轉變過程；并發現了一種新的ABCG色素轉運蛋白亞型（被命名為“Redboy”）與此變化有關；基于RNAi實驗和色素分析探究出Redboy在表皮細胞排出紅色色素及轉入白色色素中發揮作用；通過光譜分析及多角度行為實驗進一步驗證了Redboy調控的蘭花螳螂程序性體色轉變的适應性意義。

該研究首先詳細描述了蘭花螳螂程序性體色轉變的發育過程（圖1），并基于轉錄組分析、qPCR、色素提取及鑒定等技術進一步闡明了該轉變的色素轉移過程，即脫羧眼黃素（紅色色素）的排洩和尿酸（白色色素）的積累。

圖1. 蘭花螳螂程序性體色轉變的詳細發育過程

為了進一步研究程序性體色轉變的遺傳基礎，該研究構建了蘭花螳螂的高質量參考基因組并進行比較基因組分析，發現了在蘭花螳螂中擴展的ABCG基因家族，尤其是ABCG色素轉運蛋白基因，包括White，Scarlet，Brown和Ok；通過進一步系統發育分析發現，在包括蘭花螳螂在内的多新翅類昆蟲中演化出了新的ABCG色素轉運蛋白亞型，并将其命名為Redboy；發現了包括Redboy在内的多個ABCG色素轉運蛋白基因在蘭花螳螂第一次蛻皮時呈現高表達（圖2）。

圖2. ABCG色素轉運蛋白新亞型（Redboy）的發現

通過原位雜交及RNAi等方式驗證了這些基因的功能，該研究揭示了蘭花螳螂程序性體色轉變的分子機制，即在蛻皮素的誘導下Redboy在表皮細胞中與White共同參與脫羧眼黃素的轉出及尿酸的轉入（圖3）。為探究Redboy調控的程序性體色轉變對于蘭花螳螂的适應性意義，該研究進一步進行了光譜分析及多角度行為實驗，驗證了一齡蘭花螳螂的紅黑體色是對同域分布的獵蝽的拟态而高齡蘭花螳螂體色是對花的喬裝，明确了程序性體色轉變在蘭花螳螂一齡時逃避捕食而高齡逃避捕食的同時誘捕獵物這一生存策略轉變過程中的重要意義（圖4）。

圖3. Redboy功能驗證及蘭花螳螂的程序性體色轉變分子機制

圖4. Redboy調控的程序性體色轉變導緻拟态-喬裝的适應策略轉變

綜上所述，該研究詳細表征了蘭花螳螂的程序性體色轉變過程，闡明了該轉變過程的色素轉運機制，發現并命名了ABCG色素轉運蛋白的新亞型并揭示了其在蘭花螳螂程序性體色轉變過程中的關鍵作用，驗證了蘭花螳螂體色由拟态獵蝽到喬裝為花的轉變并明确了該轉變的生态學意義，綜合分析了在自然選擇的作用下蘭花螳螂程序性體色轉變的分子機制及适應性意義，為理解由基因演化和激素調節驅動的程序性表型轉變提供了新視角，為生物适應性演化提供了新的理論與範式。

圖5. Redboy的演化及其調控的程序性體色轉變過程的适應性意義

華南師範大學李勝教授、beat365官方网站/基因功能研究與操控全國重點實驗室/北大-清華生命科學聯合中心張蔚教授及浙江大學陳學新教授為本文共同通訊作者；華南師範大學李勝課題組博士後裴小津、beat365官方网站張蔚課題組博士生趙懂為本文共同第一作者；華南師範大學李勝課題組羅潔、賈佩堯、羅園、袁冬偉、侯文盺、黃丹燕、beat365官方网站張蔚課題組博士生倪嘉欣、已畢業本科生高慧澤對本研究做出了重要貢獻。此外，西北農林科技大學張戰鳳實驗師、華南師範大學栾雲霞研究員、中國科學院西雙版納熱帶植物園陳占起研究員對本研究做出重要的指導和幫助。美國羅格斯大學Karl Kjer教授、西北農林科技大學張世澤教授為本研究提供了指導和建議。本研究得到了國家自然科學基金、本源公益基金“青年PI助研金”、生物醫學峰基金、北大-清華生命科學聯合中心、基因功能研究與操控全國重點實驗室等資助。

原文鍊接: https://www.nature.com/articles/s41559-025-02737-0