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今年度は翅を獲得した以後と以前の体制の違いの解明により、昆虫の爆発的繁栄の原動力となった翅の獲得機構を理解するため、不完全変態昆虫であるフタホシコオロギと、無翅昆虫であるマダラシミの背板発生を比較した。
前年度までの研究から、フタホシコオロギの背板の広い領域で発現するapterous (ap)が、翅原基領域を含む側背板におけるvestigial (vg)の発現に必要であること、そして、vgが側背板領域の細胞の形成あるいは生存に必須であることが明らかとなっている。CRISPR/Cas9を利用してフタホシコオロギのvgをノックアウトした幼虫は、側背板を含む背板縁領域が欠損し、成虫では翅形成が阻害される。
このように、不完全変態昆虫であるフタホシコオロギでは、ap制御の下流に位置するvgの発現が幼虫の側背板と成虫の翅形成において重要である。そこで、無翅昆虫であるマダラシミでapの発現を調査した結果、フタホシコオロギと同様に、背板の広い領域で発現することが明らかとなった。また、CRISPR/Cas9を用いて一部の細胞でapをノックアウトしたマダラシミ幼虫では、フタホシコオロギと類似した背板の形成異常が表れた。これらの結果は、無翅昆虫についても有翅昆虫と同様に、apが背板形成において中心的な機能を担うことを示す。一方で、マダラシミとフタホシコオロギのvgの発現パターンを比較したところ、両者で発現領域に重大な違いが認められた。vgをノックアウトしたマダラシミでは、背板形成に異常は認められなかった。
以上の通り、無翅昆虫と有翅昆虫の背板発生において、apの機能は類似する一方、vgの発現と機能に違いが認められた。この発見は、apとvgの制御関係における変化が、祖先無翅昆虫の側背板の変形による翅の獲得において重要であった可能性を提示する。
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