来自V体育的紫外线反射物质的鉴定 - 通过化学合成V体育分泌的蜡的主要成分，实现强紫外线反射和防水性 -

国立产业技术综合研究所
国立大学法人滨松医科大学
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东京农业大学教育法人

■ 点■
·耐晒盐V体育成熟雄性分泌的紫外线反射蜡的主要成分的鉴定
·发现与其他生物蜡不同，主要成分是极长链甲基酮和极长链醛
·通过化学合成的极长链甲基酮的自组装，实现强紫外线反射率和防水性

■ 概述■
独立行政法人产业技术综合研究所 [会长：中钵良二]（以下简称“AIST”） 生物过程研究部 [研究部主任：田村智博] 生物共生进化机制研究组 研究部首席研究员 二桥亮 材料测量标准研究部首席研究员 武间深津 [研究部主任：高津明子] 生物医学标准研究部 川口健 首席研究员滨松大学医学院【校长绀野博之】（以下简称“滨松医科大学”）光学尖端医学教育研究中心纳米服开发研究部特聘教授综合人类科学生物学系张山贵彦博士V体育官方网站【校长宇井】工学研究生院生命与应用化学系副教授石井大辅副教授（以下简称“V体育）、生命科学学院（以下简称“东京农业大学”）矢岛俊介教授、东京农业大学（以下简称“东京农业大学”）和生物资源基因组分析中心的川原丽香（博士后研究员）共同鉴定了一种来自蜻蜓的紫外线反射物质。
遍布日本各地潮冈V体育，雄性在成熟过程中分泌反射紫外线的蜡。这次，紫外线反射蜡与其他已知的生物蜡不同。超长链甲基酮和极长链醛（其具体功能和性质很大程度上未知）被发现是主要成分。此外，通过化学合成并结晶极长链的甲基酮，再现了强的紫外线反射性和防水性。
　该研究结果将于2019年1月15日（英国时间）在线发表在英国学术期刊eLife上。

　　　　　参见[术语解释]

日本V体育分泌的紫外线反射蜡的精细结构和防水性（左、中）（右）
在中间的照片（通过紫外线透射/可见光吸收滤光片拍摄）中，紫外线的反射呈现白色。

■ 发展的社会背景■
　地球上的各种动植物都会在体表反射紫外线，这被认为对于视觉交流和抵御紫外线很重要。到目前为止，对这些生物体紫外线反射的研究主要集中在阐明其体表的微观结构，而关于紫外线反射物质的化学成分以及参与紫外线反射结构产生的基因仍然未知。
　盐冈V体育是一种常见的V体育，生活在日本各地，在阳光强烈的水边经常可以看到成年雄性V体育。人们知道，成年雄性V体育的体表覆盖着反射紫外线的蜡，但蜡的成分以及参与蜡产生的基因却完全未知。

■ 研究历史■
AIST 一直致力于阐明各种昆虫物种的高级生物学功能。生物过程研究部还在昆虫体色方面取得了成果，昆虫的体色具有重要的生态功能（AIST新闻稿2010年11月19日、2012年7月10日和2015年2月24日）。材料测量标准研究部拥有材料精密分析的记录。滨松医科大学在昆虫和生物材料的结构色方面拥有丰富的研究记录。V体育在生物体表面微观结构及其用途方面有着丰富的研究记录。东京农业大学作为“生物资源基因组分析中心”下一代测序仪对生物体进行遗传分析的跟踪记录。这次，他们利用各研究机构过去积累的研究成果，合作研究了V体育用紫外线反射蜡。
这项研究的一部分得到了日本学术振兴会科学研究资助金：创新领域研究（18H04893）、基础研究B（JP18H02491）和挑战探索性研究（JP26660276）的支持。

■ 研究内容■
　日本V体育未成熟的成虫呈稻草色（也称麦秆V体育），但在成熟过程中，雄性在体表分泌蜡质，全身变成白色的浅蓝色（图1）。当我们测量白胸V体育体表的光反射率时，我们发现，在成熟的雄性V体育中，短波长（特别是紫外线（UV）区域）的光反射率主要在背侧增加，同时它们分泌蜡（图2）。

图1 日本V体育在成熟过程中体色的变化
在通过紫外线透射/可见光吸收滤光片拍摄的照片（下排）中，紫外线的反射呈现白色。

图2 雌雄V体育成熟时体色和光反射率的变化
N 表示个体数量。图中的实线（背侧）和虚线（腹侧）表示平均值，
彩色区域（误差条）代表标准偏差。

　另外，在因车身表面刮伤而导致蜡脱落的部位，紫外线的反射率急剧下降，这证实了蜡对于反射紫外线至关重要。此外，当使用电子显微镜观察体表时，分泌蜡的成年雄性体表覆盖着细小的鳞片状结构（图3）。

图3 雄性和雌性V体育成熟过程中体表精细结构的变化
（腹部的背侧，图2中实线箭头所示的V体育的一部分）

　接下来，我们对日本V体育的紫外线反射蜡进行了鉴定，发现其主要成分是三种极长链甲基酮和四种极长链醛（图4）。以这些物质为主要成分的蜡在其他生物中尚未见到（已知其他生物以脂肪烃、长链酯、醇、游离脂肪酸等为主要成分），而V体育分泌的蜡被发现具有特殊的成分。此外，当我们对密切相关的物种大V体育和纳图阿坎的蜡成分进行类似分析时，我们发现，在这两个物种中，由于蜡的分泌，紫外线的反射率增加，但蜡成分和反射率因V体育的种类、性别和腹部区域而异。在阳光下活跃的物种往往具有较高的紫外线反射率，而在阳光下静止交配的物种（雌性腹侧朝上）会在雌性腹侧分泌蜡，这表明与栖息地和行为有关。在这次调查的区域中，成年雄性V体育的背侧对阳光有抵抗力，表现出最强的紫外线反射率。

图 4 从三种V体育腹部鉴定出的蜡成分
蜡的成分不仅在物种之间存在差异，而且在雄性和雌性之间以及腹部的背侧和腹侧之间也存在差异。
2-二十五烷酮和二十四烷醛的结构作为代表性实例显示。
图中“+”的数量和单元格的颜色代表蜡成分的量。

　超长链甲基酮是日本V体育（成年雄性，背侧）蜡的主要成分，观察到最强的紫外线反射，表明极长链甲基酮可能有助于提高紫外线反射率。因此，当化学合成超长链甲基酮（2-二十五烷酮）并重结晶时，会自组织出类似于V体育体表的微观结构，从而产生很强的紫外线反射能力和拒水性（接触角大约为160°）也被再现（图5）。紫外线反射和防水性的强度也根据重结晶方法而不同，当材料溶解在己烷中并通过重复小滴和干燥（滴落）进行重结晶时，确认了最强的紫外线反射和防水性（图5）。

图5 用V体育的蜡（左）化学合成的2-二十五烷酮（成年雄性，背侧）
表面微观结构、防水性和光反射率的比较
2-二十五烷酮以三种方式重结晶（滴加、快速冷却、缓慢冷却）。
2-二十五烷酮也具有类似于V体育的微观结构，特别是通过滴落重结晶时，
确认了高拒水性和紫外线反射性。
N 表示个体或样本的数量。

　利用新一代测序仪对雄性和雌性V体育成熟过程中的基因表达进行了全面分析。因此，与雄性背蜡产生的时间和区域有很强的相关性ELOVL17 基因被识别（图6）。该基因在半成年雄性V体育的腹侧背部区域强烈表达。正常女性中很少见到这种表达，但在野外却很少见男 女ELOVL17 基因是极长链脂肪酸合成的基因家族，因此该基因被认为是负责V体育中紫外线反射蜡合成的基因的有力候选者。

图6 日本V体育与蜡产生强相关的基因表达分析
纵轴表示通过下一代测序仪分析确定的表达水平。

　这次，我们发现V体育通过使用与其他生物成分不同的蜡来获得紫外线反射和防水性。这是关于生物体内的紫外线反射的新知识，即使使用化学合成蜡也可以再现紫外线反射和防水性，因此将来有可能用作新的生物材料。

■ 未来计划■
　未来，我们将更详细地研究V体育紫外线反射蜡的生态特性，包括其稳定性和抗菌特性。

■ 论文信息■
论文标题：V体育蜡基颜色变化和紫外线反射的分子基础
作者：二桥亮1，山滨由美2，川口肯1，森直树3，石井大辅4，奥德元太1,5，平井雄二6，河原丽香（三木）7，吉武一俊5，矢岛俊介7，张山隆彦2，武间深津1, 5, 8
隶属机构：1 国立产业技术综合研究所、2 滨松医科大学、3 京都大学、4 V体育、5 东京大学、6 千岁科技大学、7 东京农业大学、8 筑波大学
杂志名称：eLife
DOI：107554/eLife43045

■ 此事的联系信息■
国立产业技术综合研究所
生物过程研究部，生物共生进化机制研究组
首席研究员 Ryo Futahashi 茨城县筑波市东 1-1-1 305-8566 Chuo 6
电话：029-861-6128、传真：029-861-6812
电子邮件：ryo-futahashi[at]aistgojp

国立产业技术综合研究所
生物过程研究部
首席研究员 Takema Fukatsu 茨城县筑波市东 1-1-1 305-8566, Central 6
电话：029-861-6087、传真：029-861-6812
电子邮件：t-fukatsu[at]aistgojp

[采访联系方式]
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电话：03-5477-2300 传真：03-5477-2707 电子邮件：koho[at]nodaiacjp

*请将每个 [at] 替换为 @。

[术语解释]
◆潮冈V体育
V体育目V体育目中的一种，分布于从北海道到冲绳县的日本全国。它是日本最常见的一种V体育，据说是儿歌《V体育的眼镜》中歌词“V体育的眼镜是水色眼镜”的原型。它曾被用作中草药。

◆超长链甲基酮、超长链醛
分子中含有大约 21 个或更多碳原子的甲基酮和醛。据报道，植物蜡成分中含有少量，但其具体功能和性质尚不清楚。结构略有相似的长链甲基酮被称为蟑螂的性信息素，而碳链较短的长链醛被称为Hokudami的成分。分子结构示例如图4左上方所示，此次从V体育中鉴定出的所有物质均含有直链饱和烃基。

◆下一代测序仪
与传统测序仪不同，一次可读取的碱基序列长度较短，为50至500个碱基（传统方法约为800个碱基），但通过高度并行处理，可以在单次分析中获得数千万至数十亿个碱基对的碱基序列信息。

◆接触角
微水滴的切线与固体表面的接触面积形成的角度（图中红色角部分）。定量表示拒水性的数值；接触角越大，拒水性越高。

◆ELOVL17基因
ELOVL（超长链脂肪酸延伸）基因是一组基因，包括参与超长链脂肪酸和超长链碳氢化合物合成的酶，并具有独特的氨基酸基序。已知酵母有 3 种基因，哺乳动物有 7 种，果蝇有 20 种，V体育有 17 种（ELOVL1 至 ELOVL17）。

◆男 女
体色和斑纹与雄性相似的雌性。它们的生殖器官和其他形态与正常雌性没有什么不同。在许多V体育物种中，雄性和雌性V体育在体色和斑纹上差异很大，但众所周知，在一些物种中，类似雄性的雌性V体育以一定的比例出现。除了V体育之外，一些蝴蝶、苍蝇和蜥蜴也有类似雄性的雌性。

◆极长链脂肪酸
分子中含有大约 21 个或更多碳原子的脂肪酸。极长链甲基酮和极长链醛除了末端外具有相似的结构。极长链脂肪酸具有短链脂肪酸无法替代的独特生理功能，并且据报道与多种病理状况有关。