鹦鹉羽毛颜色之谜：科学家揭示鲜艳色彩形成的分子机制
鹦鹉羽毛颜色之谜：科学家揭示鲜艳色彩形成的分子机制
鹦鹉以其鲜艳多彩的羽毛闻名于世，这些羽毛的颜色不仅美观，还承载着重要的生态和交流信息。近日，来自葡萄牙波尔图大学和美国华盛顿大学的研究团队在《Science》期刊上发表了一项重要研究，揭示了鹦鹉羽毛颜色形成的分子机制。
在自然界中，生物体的颜色在生态适应以及相互之间的交流起着至关重要的作用。鸟类通过羽毛颜色互相交流生存环境、健康状况、性吸引力以及社会支配地位。关于鸟类羽毛颜色的研究在理解色彩选择性以及生态适应性方面有一定的进展，但是羽毛颜色形成的生理和代谢过程仍然尚不清楚。
鹦鹉是以活泼著称的鸟类，它们的羽毛在颜色、饱和度以图案有着很大的不同，这可能具有不同的信号以及非信号功能（图1）。鹦鹉羽毛颜色的快速动态演变是由于羽毛生长过程中鹦鹉色素（Psittacofulvins）的不同程度以及颜色的沉积造成的，这是一种只在鸟类中发现明亮的红色和黄色的多烯颜料。羽毛的纳米结构特征会形成结构性蓝色，与黄色结合会形成绿色色调。与其他动物通过饮食获得类胡萝卜素产生黄色和红色不同，鹦鹉色素是在鹦鹉体内内源性合成的。其中聚酮合成酶（Polyketide synthase，PKS）是鹦鹉色素生物合成必不可少的因子。
图1 不同颜色的鹦鹉
为了对鹦鹉羽毛颜色控制机制进行探究，葡萄牙波尔图大学Miguel Carneiro研究组、Pedro M. Araújo研究组以及美国华盛顿大学Joseph C. Corbo研究组合作在Science发文题为A molecular mechanism for bright color variation in parrots，通过结合光谱、色谱、质谱分析发现了鹦鹉身上明亮颜色形成的机制。
鹦鹉色素最初是在红鹦鹉羽毛中发现的，这一色素是非类胡萝卜素延伸而形成的多烯分子（图2）。为了对鹦鹉羽毛中色素组成进行检测，作者们使用了超高效液相色谱法进行的化学分析，发现鹦鹉色素存在不同的碳链长度，分别称为C14、C16以及C18，并且可以根据功能基团将它们分为醛基类和羧基类两种不同的类型。作者们分析发现红色和橙色的鹦鹉羽毛富含醛基类鹦鹉色素，而黄色和绿色羽毛则富集羧基类鹦鹉色素。
图2 鹦鹉色素
为了对鹦鹉色素颜色形成的遗传和转录组基础进行探究，作者们选择了自然界中存在具有不同生态型的鹦鹉（Pseudeos fuscata）。该物种原产于新几内亚，具有红色和黄色两种生态型。作者们对两种鹦鹉的基因组进行组装和注释，发现了两个可能的备选基因ALDH3A2以及SLC47A1。SLC47A1参与尿液和胆汁的排出。ALDH3A2是一种普遍表达的酶，负责催化中链和长链脂肪醛的氧化。
进一步地，作者们通过对再生羽毛毛囊进行单细胞RNA-seq以及染色质可及性分析，作者们发现ALDH3A2在晚期分化角质形成的细胞中表达水平较高。酵母中的实验证实ALDH3A2酶能够将红色的鹦鹉色素转化为黄色的鹦鹉色素。
图3 工作模型
总的来说，作者们的工作鉴定出对鹦鹉羽毛颜色变化起到关键作用的酶ALDH3A2，同时也揭示出野外鸟类羽毛中鲜艳色彩产生与进化的分子机制。
原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adp7710
参考文献
- Cuthill, I. C. et al. The biology of color. Science 357, eaan0221 (2017).
- McGraw, K. J. & Nogare, M. C. Distribution of unique red feather pigments in parrots. Biol. Lett. 1, 38-43 (2005).
- Otsuka, M. et al. A human transporter protein that mediates the final excretion step for toxic organic cations. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 17923-17928 (2005).