Gräshoppan till höger uttrycker proteinet som ger en klar gul färg hos vuxna män. Kredit:Sam Craft
En studie av en forskare från Texas A&M AgriLife Research ger viktiga insikter i de förändringar som sker i gräshoppor som leder till svärmar av bibliska proportioner.
AgriLife Research-studien lyfts fram i artikeln "Sexual repurposing of juvenile aposematism in locusts", publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
Greg Sword, Ph.D., AgriLife Research scientist och Charles R. Parencia Endowed Chair vid Institutionen för entomologi, började studien för 15 år sedan vid University of Sydney i Australien med samarbetspartnern Darron Cullen, Ph.D., en zoolog vid University of Lincoln i England. Cullen var Swords doktorand vid den tiden.
Under dessa 15 år, medan han arbetade i laboratorier vid Katholieke Universiteit Leuven, Belgien, och University of Cambridge, Storbritannien, manipulerade Cullen ett enda protein som kontrollerade gräshoppans färg. Som den nyligen publicerade studien visar tjänar genen flera syften och tillhandahåller flera adaptiva funktioner baserat på en gräshoppas ålder, kön och omgivande befolkningstäthet.
Ökengräshoppor, Schistocerca gregaria, är gräshoppor av biblisk berömmelse. De är en gräshoppaart som uppvisar ett extremt exempel på fenotypisk plasticitet som kallas faspolyfenism, vilket betyder att dessa insekters beteendemässiga och morfologiska egenskaper kan förändras drastiskt beroende på deras befolkningstäthet, sa Sword.
Sword är medlem av National Science Foundation-finansierade Behavioral Plasticity Research Institute, ett stort initiativ av flera institutioner som specifikt undersöker fenotypisk plasticitet för gräshoppor.
Publikationen avslöjar en tidigare okänd sexuell dimension till ökengräshoppors faspolyfenism, sa Cullen. Fynden tyder på att gräshoppor representerar en modell för att undersöka bidragen från naturligt kontra sexuellt urval i utvecklingen av fenotypisk plasticitet.
"I grund och botten är det män som signalerar män i svärmens kaos, 'Titta, jag är en hane, och det är ingen idé att hoppa på mig eftersom du skulle slösa bort din tid och energi'", sa Cullen. "Hanarna drar nytta av denna samarbetsmekanism för undvikande, så de fokuserar sina ansträngningar på honor för att lyckas med parningen."
Identifiera genen som utlöser färgförändring
Ensamma levande, "ensamma", gräshoppor skiftar mot "sällskapsfasen" vid högre befolkningstätheter. Sällskapsgräshoppor är mer aktiva och socialt sammanhållna, och deras färgmönster förändras, sa Sword.
"De beteendemässiga och andra förändringarna är radikala", sa han. "Det är därför folk en gång trodde att de faktiskt var olika arter, men det är bara dessa beteendemässiga och morfologiska förändringar som utlöses av befolkningstäthet som i slutändan kan leda till massiva svärmar av gräshoppor."
Unga gräshoppor i låg befolkningstäthet är gröna eller sandfärgade, vilket matchar deras bakgrund för kamouflage, sa han. Men vid höga tätheter ändras de till en kontrasterande gul och svart aposematisk färg som är avsedd att avskräcka rovdjur. När de når vuxen ålder återställs gräshoppor med hög densitet till en matt brun färg, men några dagar senare blir hanarna ljusgula.
Sword and Cullens nyligen genomförda studie visar att samma "gula protein"-gen, uttryckt i både hanar och honor som unga, återanvänds som en signal mellan män under svärmande förhållanden.
Rollen av "gult protein"
De dominerande gröna eller sandgula bakgrundsfärgerna hos dessa gräshoppor beror på uttrycket av ett karotenoidbindande "gult protein", sa Sword.
Genom att använda RNA-interferens bestämde Cullen, Sword och de andra kollaboratörerna att sällskaplig gulfärgning av män fungerar som en varning för att förhindra felaktiga sexuella trakasserier av andra män.
Cullen sa att de också testade för att se om färgen var en signal till honorna om att hanarna var vältränade kompisar, men det gjorde ingen skillnad i honornas val av partner.
"De måste använda sin begränsade energi effektivt i en myllrande miljö," sa Cullen. "Färgningen är en signal som minskar förvirringen och ökar parningsframgången mitt i en svärm."
Grundläggande gräshoppsstudie kan vägleda forskning, bekämpningsmetoder
Sword och Cullen tror att den nya forskningen fokuserad på en grundläggande roll i förändringen ensam till sällskap kan leda till bättre kontrollmetoder och förhindra förödelse av svärmar.
År 2020 hotade svärmande gräshoppor i östra Afrika försörjningen för 10 % av världens befolkning när de svepte över Mellanöstern och sydvästra Asien, vilket orsakade skador för miljarder dollar i jordbruket och lämnade miljontals människor i svält.
Svärmar är oförutsägbara naturkrafter, sa Sword, men att förstå hur dessa gräshoppor och deras miljö skapar förutsättningar för dem att förvandlas till gräshoppor kan hjälpa till att förutsäga populationsökningar och utveckla kontrollmetoder för att avbryta förändringen eller ingripa innan de svärmar.
Forskare har känt till färgförändringen hos gräshoppor i mer än 100 år, men upptäckten av en enda gen som kontrollerar färgning är ett nyckelsteg för att svara på grundläggande frågor om gräshoppor, sa Sword.
"Detta är grundläggande information, och vi vill inte gå före oss själva med bredare tillämpningar," sa Sword. "Men vi pratar ofta om att förstå beteende, och det handlar om sexuellt beteende, vilket leder till fler gräshoppor. Så att försöka förstå deras beteende är ett steg i rätt riktning mot att lösa problem relaterade till gräshoppsvärmar." + Utforska vidare
