近日，河北大學康樂院士環境適應與生態基因組學研究團隊以Cytosolic and mitochondrial ribosomal proteins mediate the locust phase transition via divergence of translational profiles為題，在國際著名綜合性期刊美國國家科學院院刊（PNAS）上發表重要研究成果，率先闡釋了蝗蟲型變這一典型表型可塑性的翻譯調控新機制。

表型可塑性或稱非遺傳性多型（Phenotypic plasticity/polyphenism）是指同一基因型受環境的不同影響而產生的不同表型，是生物對環境的一種適應，這種現象在生物界普遍存在。昆蟲的多型性現象更加普遍，而蝗蟲從散居型（Solitary phase）向群居型（Gregarious phase）的轉變不僅是表型可塑性的典型代表，還是蝗災暴發的生物學基礎。由于蝗蟲型變的復雜性，傳統的生理、生態和行為學的研究難以揭示型變的內在機制。從上世紀末本世紀初，康樂院士研究團隊開始了一種新的嘗試，通過生態基因組學方法深入闡明蝗蟲表型可塑性的分子調控機制。前期研究主要集中在轉錄調控、表觀調控以及代謝調控等水平上解釋蝗蟲、行為、體色、生殖、飛行等表型調控的分子機制，同時也暗示兩型轉變這一可塑性過程可能存在翻譯水平的動態調控。

該項研究繼續從“找差異”、“驗功能”和“明機制”研究思路出發，探究飛蝗行為可塑性的翻譯調控新機制。“找差異”：首先利用核糖體圖譜技術對飛蝗兩型轉變過程進行了動態分析，發現了群、散飛蝗具有明顯不同的核糖體組成特征。群居飛蝗（Gregarious locust）具有更為豐富的60S大亞基和多聚核糖體；而散居飛蝗（Solitary locust）的80S單核糖體較為豐度和特殊的半聚體。更重要的是，核糖體圖譜隨著種群密度的變化而發生相應的動態改變，核糖體60S大亞基變化最為明顯，表現出獨殊的分子可塑性特征。首次運用翻譯組與轉錄組聯合分析，篩選到分別來自細胞質和線粒體的核糖體蛋白基因RPL7、PRL44和MRPS18C在群散飛蝗中翻譯效率存在明顯差異。“驗功能”：隨后，通過RNA干擾、核糖體圖譜分析以及行為監測等方法驗證結果顯示，在群居型飛蝗中細胞質核糖體蛋白基因RPL7的高翻譯效率促進了核糖體60S大亞基的積累，并表現為典型群居行為。而散居型飛蝗則通過線粒體核糖體蛋白基因MRPS18c翻譯水平高表達，誘導典型散居核糖體圖譜以及行為表型。“明機制”：行為可塑性是飛蝗響應種群密度變化過程中發生最快、最顯著的反應，對飛蝗聚群起關鍵作用。同一基因型的群散居飛蝗分別在翻譯水平高表達RPL7和MRPL18C基因，調節細胞質和線粒體核糖體組分豐度，進而產生不同行為表現。因此，揭示了飛蝗在應對外界環境的種群密度變化時，調用兩種不同的翻譯策略的獨特原理。這種通過調整核糖體組分變化來適應環境的策略可能廣泛存在于生物界中，而并非傳統認為的核糖體豐度降低就意味著整體翻譯效率下降。河北大學康樂院士研究團隊首次從翻譯層面提出了由種群密度變化引發的核糖體組分“分子可塑性”，調控了飛蝗“行為可塑性”這一論點，將行為可塑性與翻譯策略進行連接、闡述，不僅對認識生物表型可塑性的本質具有重要意義，還為理解蝗蟲聚群成災機制提供新線索。

該論文是河北大學研究生首篇PNAS文章。河北大學生命科學學院在讀博士研究生李靜為該論文第一作者，魏麗亞副教授和康樂院士為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目的支持。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216851120

(生命科學學院、科學技術處供稿)