研究找到昆虫光合作用首个证据 蚜虫或具有一套基本的阳光捕获体系

中国科学报,2012-08-23

能够捕获阳光中的能量的色素在豌豆蚜的代谢中扮演了一个重要角色。

蚜虫的生物学特性真是太奇特了——雌蚜虫生下来就可以繁殖而无需雄性，而雄蚜虫有时候竟然没有长嘴，致使它们在交配后不久便会死去。而上周公布的一项研究成果又为它们的特异功能名单添加了惊人的一笔：它们竟然也能够捕获阳光，并按照代谢的目的使用这些能量。

蚜虫是动物世界中唯一具有合成色素——类胡萝卜素——本领的成员。很多动物依赖这种色素完成一系列功能，例如保持一个健康的免疫系统，或合成某些维生素，然而所有其他动物必须通过它们的食物来获得这种色素。法国索菲亚科技园的昆虫学家Alain Robichon和同事在《科学报告》杂志上指出，在蚜虫中，这种色素能够吸收来自太阳的能量，并将其转化为参与能量生产的细胞机制。

尽管这在动物界是前所未有的，但这种能力在其他的王国中却很普遍。植物和藻类，还有某些真菌及细菌也能够合成类胡萝卜素，并且在所有这些生物体中，这种色素形成了光合作用的一部分。

自从2010年发现线索表明蚜虫体内高水平的类胡萝卜素是“自产自销”的以来，Robichon和他的研究团队便开始着手调查，这种昆虫为什么要合成这种“昂贵”的代谢化学物质。

类胡萝卜素决定了蚜虫的色素沉着，而一只蚜虫的颜色又决定了能够看见它的捕食者的种类。Robichon实验室中的蚜虫颜色受到了环境的影响——寒冷有利于绿色蚜虫，最佳的条件会使蚜虫的身体变为橙色，而当种群很大且面对有限的资源时，蚜虫便会呈现出白色。

当研究人员测量了蚜虫体内的ATP（三磷酸腺苷，所有生物体中能量转移的“通货”）水平后，结果令人震撼。与几乎没有这种色素的白蚜虫相比，具有高水平类胡萝卜素的绿蚜虫体内携带了更多的ATP。此外，当把橙色蚜虫——拥有中间数量的类胡萝卜素——放置到阳光下时，其ATP生成将会增加，而当将其转移到黑暗中时，其ATP含量便会下降。

研究人员于是将橙色蚜虫碾碎并提纯了它们的类胡萝卜素，进而证明这些提取物能够吸收阳光并传递这种能量。

这项研究的作者之一、索菲亚研究所的另一位昆虫学家Maria Capovilla强调，在科学家确认蚜虫真的能够进行光合作用之前还需要进行更多的工作，但是这些发现显然抛出了这种可能性。

胡萝卜素分子在动物体内的排列方式也进一步证明了这种假设。这种色素在昆虫角质层的深处形成了一个0到40微米的薄层，从而使其位于捕捉太阳光的一个完美的位置上。

美国康涅狄格州西汉文市耶鲁大学的昆虫遗传学家Nancy Moran最早发现了蚜虫具有与类胡萝卜素合成有关的基因，她指出这里依然有许多没有被回答的问题。Moran说：“能量生产对蚜虫而言似乎是个最小的问题——它们的食物承载了太多的糖，其中的大部分都是没有用的。”

这便引出了一个问题，蚜虫为什么还要进行光合作用。但Capovilla推断，一个电池一样的备份或许能够在环境压力面前为昆虫提供帮助，例如当它们迁徙到一株新的宿主植物上时。

蚜虫又称蜜虫、腻虫等，多属于同翅目蚜科，为刺吸式口器的害虫，常群集于叶片、嫩茎、花蕾、顶芽等部位，刺吸汁液，使叶片皱缩、卷曲、畸形，严重时引起枝叶枯萎甚至整株死亡。蚜虫分泌的蜜露还会诱发煤污病、病毒病并招来蚂蚁危害等。（来源：中国科学报 赵路）

论文链接：Light- induced electron transfer and ATP synthesis in a carotene synthesizing insect