Die Heuschrecken, die wir sehen, sind normalerweise grün. Diese Färbung bietet Schutz, indem sie es den Heuschrecken ermöglicht, sich in ihre grüne Umgebung einzufügen, um Raubtieren auszuweichen. Wenn sich Heuschrecken jedoch in großer Populationsdichte versammeln und von der Einzelgänger- in die Herdenphase übergehen, verursachen sie schwere Plagen. Mit dieser Verwandlung verändert sich auch ihre Körperfarbe dramatisch von Grün am ganzen Körper zu schwarzem Rücken und braunem Bauch.
In einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte Am 23. August fand das Team von Dr. Kang Le vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen spezifischen regulatorischen Faktor, der für diese einzigartige Färbung verantwortlich ist.
Die bei Heuschrecken beobachtete Variation der Körperfarbe spiegelt ihre bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit an die Umwelt wider. Ähnlich wie Einzelheuschrecken weisen viele Insekten eine grüne Körperfarbe durch eine Kombination aus gelben und blauen Pigmenten auf. Studien haben jedoch ergeben, dass die schwarze Körperfarbe von Melanin und Ommochrom-Pigmentierung herrührt.
Vor einigen Jahren zeigte Kangs Team, dass die schwarze Farbe auf dem Rücken von Heuschrecken nicht durch typische Melaninablagerungen verursacht wird. Stattdessen kommt es durch die Überlagerung eines roten Komplexes, der aus β-Carotin-bindendem Protein (βCBP) und β-Carotin gebildet wird, über die grüne Färbung einzelner Heuschrecken.
Herdenheuschrecken sind am Bauch braun und am Rücken schwarz. Durch proteomische Analyse der schwarzen und braunen Haut von Herdenheuschrecken fanden die Forscher heraus, dass βCBP eine Schlüsselrolle bei der Bildung der auffälligen schwarzbraunen Körperfärbung spielt. Die Verteilung von βCBP-β-Carotin in braunen Integumenten ist deutlich höher als in schwarzen Integumenten, und dieser Verteilungsunterschied trägt zur schwarzbraunen Körperfärbung bei.
Darüber hinaus fördert die Phosphorylierung des bZIP-Transkriptionsfaktors ATF2 an seiner Serinstelle und seine anschließende Kernlokalisierung die Expression von βCBP.
Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass dieser Regulierungsmechanismus eng mit der Heuschreckenpopulationsdichte zusammenhängt. Mit zunehmender Populationsdichte verwandeln sich grüne Einzelheuschrecken in schwarzbraune Herdenheuschrecken. Diese Transformation wird durch einen intrinsischen Regulierungsprozess gesteuert, bei dem PKCα auf die Populationsdichte reagiert, indem es ATF2 Ser327 schnell aktiviert und phosphoryliert.
Dies fördert den Eintritt von ATF2 in den Zellkern, erleichtert seine Bindung an den βCBP-Promotor und aktiviert seine Transkription. Der Unterschied im ATF2-Phosphorylierungsgrad zwischen den schwarzen und braunen Integumenten von Heuschrecken ist für die unterschiedliche Menge an βCBP verantwortlich, die auf dem Rücken und dem Bauchnabel verteilt ist, was letztendlich zu dem charakteristischen schwarzen Rücken und dem braunen Bauchnabel von Herdenheuschrecken führt.
Die Untersuchung der Körperfarbe bei Heuschrecken ist von großer biologischer Bedeutung. Bei geselligen Heuschrecken sind die räumlich unterschiedlichen Signalmechanismen, die die βCBP-Expression und die ATF2-Phosphorylierung regulieren, entscheidend für die Zusammensetzung ihres schwarzen Rückens und ihres braunen Bauchs. βCBP fungiert als Pinsel, der mit dem Pigment β-Carotin beschichtet ist, um den Heuschrecken eine Farbe zu verleihen, die sich mit zunehmender Populationsdichte von Grün nach Schwarz ändert, während viel höhere Mengen an βCBP-β-Carotin auf dem Schnabel zu einer braunen Farbe führen.
Diese Studie zeigt die Fähigkeit von Organismen, durch präzise Kontrolle der Pigmentablagerung unterschiedliche Körperfarbmuster zu erreichen, und wirft Licht auf die Entwicklung von Umweltanpassungen bei der Warnfärbung und gruppenabwehrenden Überlebensstrategien.
Gesellige Heuschrecken nutzen ihre schwarzbraune Warnfärbung, die mit dem Geruch Phenylacetonitril und dem Giftstoff Cyanwasserstoff verbunden ist, um den Aposematismus zu verstärken, indem sie sowohl den visuellen als auch den olfaktorischen Sinn stimulieren. Zusätzlich zur Alarmierung von Raubtieren können gesellige Heuschrecken große Schwärme aufrechterhalten, indem sie die Erkennung von Artgenossen durch eine deutliche Körperfärbung erleichtern.
Ein in der Insektenwelt allgegenwärtiges Phänomen ist die Verdunkelung der Körperfärbung im Verhältnis zur Populationsdichte. Die Aufdeckung dieses Musters bietet einen wichtigen Schlüssel zum Verständnis, wie Veränderungen in der Bevölkerungsdichte zu Veränderungen in der Körperfärbung führen können. Darüber hinaus hat diese Entdeckung wichtige praktische Auswirkungen auf die Schädlingsvorhersage und -vorhersage.
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Xinle Kang et al.: Die räumlich unterschiedliche Regulierung der ATF2-Phosphorylierung trägt zur Warnfärbung geselliger Heuschrecken bei. Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi5168