Een onderzoek door een wetenschapper uit Texas A&M AgriLife Research biedt belangrijke inzichten in de veranderingen die optreden bij sprinkhanen die leiden tot zwermen van bijbelse proporties.

De AgriLife Research-studie wordt benadrukt in het artikel "Sexual repurposing of juveniel aposematisme bij sprinkhanen", gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Greg Sword, Ph.D., AgriLife Research-wetenschapper en Charles R. Parencia bijzonder leerstoel in de afdeling Entomologie, begon de studie 15 jaar geleden aan de Universiteit van Sydney in Australië met medewerker Darron Cullen, Ph.D., een zoöloog bij de Universiteit van Lincoln in Engeland. Cullen was destijds promovendus van Sword.

Gedurende die 15 jaar, terwijl hij werkte in laboratoria van de Katholieke Universiteit Leuven, België, en de Universiteit van Cambridge, Verenigd Koninkrijk, manipuleerde Cullen een enkel eiwit dat de kleuring van de sprinkhaan regelde. Zoals de nieuw gepubliceerde studie laat zien, dient het gen meerdere doelen en biedt het verschillende adaptieve functies op basis van de leeftijd, het geslacht en de omringende bevolkingsdichtheid van een sprinkhaan.

Woestijnsprinkhanen, Schistocerca gregaria, zijn de sprinkhanen van bijbelse faam. Ze zijn een soort sprinkhaan die een extreem voorbeeld van fenotypische plasticiteit vertoont, fasepolyfenisme genaamd, wat betekent dat de gedrags- en morfologische kenmerken van deze insecten drastisch kunnen veranderen, afhankelijk van hun populatiedichtheid, zei Sword.

Sword is lid van het door de National Science Foundation gefinancierde Behavioural Plasticity Research Institute, een groot initiatief van meerdere instellingen dat specifiek de fenotypische plasticiteit van sprinkhanen onderzoekt.

De publicatie onthult een voorheen onbekende seksuele dimensie van het polyfenisme van de woestijnsprinkhanen, zei Cullen. De bevindingen suggereren dat sprinkhanen een model vormen voor het onderzoeken van de bijdragen van natuurlijke versus seksuele selectie in de evolutie van fenotypische plasticiteit.

"Kortom, het zijn mannen die mannen signaleren in de chaos van de zwerm:'Kijk, ik ben een man, en het heeft geen zin om op me te springen omdat je je tijd en energie verspilt'," zei Cullen. "De mannetjes profiteren van dit coöperatieve vermijdingsmechanisme, dus richten ze hun inspanningen op vrouwtjes voor succes bij het paren."

Het gen identificeren dat kleurverandering veroorzaakt

Eenzame, "solitaire" sprinkhanen verschuiven naar de "gezellige fase" bij hogere bevolkingsdichtheid. Groepssprinkhanen zijn actiever en sociaal hechter, en hun kleurpatroon verandert, zei Sword.

"De gedrags- en andere veranderingen zijn radicaal," zei hij. "Dat is de reden waarom mensen ooit geloofden dat ze eigenlijk verschillende soorten waren, maar het zijn juist deze gedrags- en morfologische veranderingen die worden veroorzaakt door bevolkingsdichtheid die uiteindelijk kunnen leiden tot enorme zwermen sprinkhanen."

Jonge sprinkhanen in lage bevolkingsdichtheid zijn groen of zandkleurig, wat overeenkomt met hun achtergrond voor camouflage, zei hij. Maar bij hoge dichtheden veranderen ze in een contrasterende gele en zwarte aposematische kleur die bedoeld is om roofdieren af ​​te schrikken. Bij het bereiken van de volwassenheid keren de sprinkhanen met een hoge dichtheid terug naar een doffe bruine kleur, maar een paar dagen later worden de mannetjes heldergeel.

Uit recent onderzoek van Sword en Cullen blijkt dat hetzelfde "gele eiwit"-gen, dat zowel bij mannen als bij vrouwen tot expressie wordt gebracht als juvenielen, wordt hergebruikt als signaal tussen mannen in zwermomstandigheden.

De rol van 'geel eiwit'

De overheersende groene of zandgele achtergrondkleuren van deze sprinkhanen hangen af ​​van de expressie van een carotenoïde-bindend "geel eiwit", zei Sword.

Door RNA-interferentie te gebruiken, hebben Cullen, Sword en de andere medewerkers vastgesteld dat het geel worden van de kudde als een waarschuwing fungeert om onterechte seksuele intimidatie van andere mannen te voorkomen.

Cullen zei dat ze ook testten om te zien of verkleuring een signaal was voor vrouwen dat mannen geschikte partners waren, maar het maakte geen verschil in de partnerkeuze van vrouwen.

"Ze moeten hun beperkte energie effectief gebruiken in een zwermende omgeving," zei Cullen. "De kleuring is een signaal dat de verwarring vermindert en het paringssucces in het midden van een zwerm vergroot."

Fundamenteel sprinkhanenonderzoek kan leidend zijn voor onderzoek, controlemethoden

Sword en Cullen geloven dat het nieuwe onderzoek gericht op een fundamentele rol in de solitaire-naar-groepsverandering kan leiden tot betere controlemethoden en verwoesting door zwermen kan voorkomen.

In 2020 bedreigden zwermende sprinkhanen in Oost-Afrika het levensonderhoud van 10% van de wereldbevolking terwijl ze door het Midden-Oosten en Zuidwest-Azië trokken, miljarden dollars aan landbouwschade veroorzaakten en miljoenen mensen met hongersnood achterlieten.

Zwermen zijn onvoorspelbare natuurkrachten, zei Sword, maar als we begrijpen hoe deze sprinkhanen en hun omgeving de voorwaarden scheppen om in sprinkhanen te veranderen, kan dit helpen bij het voorspellen van bevolkingsstijgingen en het ontwikkelen van controlemethoden om de verandering te onderbreken of in te grijpen voordat ze gaan zwermen.

Wetenschappers weten al meer dan 100 jaar over de kleurverandering bij mannelijke sprinkhanen, maar de ontdekking van een enkel gen dat de kleuring regelt, is een belangrijke stap in het beantwoorden van fundamentele vragen over sprinkhanen, zei Sword.

"Dit is fundamentele informatie en we willen niet voorop lopen met bredere toepassingen", zei Sword. "Maar we praten vaak over het begrijpen van gedrag, en dit heeft betrekking op seksueel gedrag, wat leidt tot meer sprinkhanen. Dus proberen hun gedrag te begrijpen is een stap in de goede richting om problemen met sprinkhanenzwermen op te lossen." + Verder verkennen

Wetenschappers identificeren toxisch antipredator-afweermechanisme in sprinkhanen