Molecular mechanisms underlying structural color of scarab beetles and its evolution

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K22440
• Research Institution: National Agriculture and Food Research Organization
• Principal Investigator: 神村 学 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, グループ長補佐 (60370649)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 倫太郎 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 高度分析研究センター, 上級研究員 (00399429) ; 石川 謙 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (10176159) ; 安藤 俊哉 基礎生物学研究所, 進化発生研究部門, 助教 (10709744)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 構造色 / コガネムシ / 円偏光

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、コガネムシの1種ナミハナムグリから構造色発色に必須の遺伝子として同定したLCP1の機能と進化について研究を行うものであり、昨年度はLCP1タンパク質の大腸菌での発現と発現タンパク質をエピトープにした抗体作成、コガネムシ科以外の昆虫からのLCP1（類縁）遺伝子の同定とRNAiによる機能解析を行った。今年度は、引き続きコガネムシ以外の昆虫でのLCP1の機能解析を行うとともに、LCP1のRNAiを行い構造色を消失させたナミハナムグリの表皮の微細構造の観察を行った。
まず、様々な甲虫で、LCP1遺伝子のRNAiを行ったが、昨年度と同様に構造色が影響を受ける種はいなく、LCP1はコガネムシのみで構造色発色に関わる遺伝子であることが確認できた。構造色以外の形質への影響についても調べたところ、ハムシ科、ゴミムシダマシ科など複数の科の甲虫で、LCP1のRNAiにより大顎の着色が抑制されることが分かった。この結果から、LCP1は元来、大顎の発育などに関わる遺伝子であり、コガネムシの仲間でのみ、構造色発色構造の構築という新規機能を獲得した可能性が示唆された。
また、LCP1のRNAiを行い構造色を消失させたナミハナムグリの表皮の断面の微細構造を透過電子顕微鏡により観察したところ、通常の構造色を持つコガネムシの表皮で観察される外原表皮 (exocuticle)の微細な縞模様が消失していた。この縞模様はキチンのナノフィブリル層がらせん状に重層することにより生じるものと考えられており、また、コガネムシではこのナノフィブリルの左向きらせんにより左円偏光のみが反射して構造色が生じると考えれている。本研究から、このらせん層が実際に構造色発色に関与していることが強く示唆されるとともに、LCP1タンパク質が構造色発色構造（らせん層）の形成に関わっていることが確認できた。