Elucidation of the mechanisms for iridescence in the feathers of the Oriental Magpie (Pica serica)

Abstract

Feathers of birds exhibit a wide array of colors, which can be produced by the simple deposition of pigments such as melanin and carotenoids, and/or by the interaction of light among the array of cellular components with different refractive indices such as melanin and keratin. In comparison to the pigmental color production where the density of pigments is important, less is known the cellular and developmental processes leading to structural color production is less studied. Magpies belonging to the genus Pica exhibit strong bluish and greenish iridescence in the barbules of the secondary and tail feathers respectively, but the primary feathers are black-and-white. The former feathers, in contrast to the latter, contain 3-5 layers of densely packed melanosomes embedded in keratin matrix just beneath the epicuticle. In this study, to understand the differences in melanosome formation between iridescent and non-iridescent feathers during the developmental process of feathers, morphological analysis was conducted. Also, the transcriptomes of iridescent and black-and-white feathers of three individuals of the Oriental Magpie (Pica serica) were compared using 5’ mRNA-Quant Seq in order to characterize the cellular processes responsible for the color difference among the feathers. We found greater expression of TYR, TYRP1 and MLANA in tail iridescent feathers compared with black-and-white feathers. This finding demonstrated consistent results of melanosome overproduction in iridescent feathers through morphological observations conducted under a microscope. These results suggest that greater melanosome production is responsible for the color difference between the iridescent and black-and-white feathers in the Oriental Magpie. Further study should examine the properties of the keratin matrices in iridescent and non-iridescent feathers as the process of keratin polymer synthesis is important in the attraction-depletion forces that are necessary for the formation of ordered arrays of melanosomes.|조류의 깃털은 멜라닌과 카로테노이드 같은 색소들의 침착으로 이루어지는 색소계 색상 또는 멜라닌과 케라틴과 같은 서로 다른 굴절 지수를 가진 세포 구성 요소와 빛 상호 작용을 통해 나오는 구조색을 통해 다양한 색상을 나타낼 수 있다. 이러한 구조적 색상 형성에 관련된 세포 및 발달 과정에 대한 연구는 아직 충분히 이루어지지 않은 상태이다. Pica 속에 속하는 까치는 비행 깃털에서 강렬한 푸른색과 녹색의 구조색을 나타내지만, 주요 깃털은 흑백이다. 금속성 광택을 가진 깃털의 구조는 표피 바로 아래에 케라틴 스폰지층이 있으며, 깃털의 가장자리에는 멜라노좀이 빽빽하게 3-5층으로 배치되어 있다. 본 연구에서는 까치(Pica serica)의 푸른색과 흑백 깃털의 발달형태학을 비교하기 위한 현미경 분석을 수행했고, 전사체 분석(5' mRNA-Quant Seq)을 수행하여 깃털의 색상 형성에 관여하는 세포 과정을 연구했다. 우리는 꼬리 깃털에서 TYR, TYRP1 및 MLANA 유전자의 높은 발현 및 구조색 부위에서 검정-흰색 깃털과 비교하여 케라틴 관련 유전자가 높은 발현을 보이는 것을 발견했다. 이러한 발견은 현미경으로 관찰한 발달형태학적 결과에서 금속성 광택을 가진 깃털에서 많은 양의 멜라노좀이 생성된 것과 일관된 결과를 나타내고 있다. 이러한 결과는 구조색과 흑백 깃털 간의 색상 차이가 멜라노좀 생성의 증가 및 케라틴 모세포 분화 및 케라틴화에 관여하는 유전자의 상반되는 발현 현상이 원인이라는 것을 시사하고 있다. 나아가서 구조색 부위와 아닌 깃털의 발달과정 중 멜라노좀의 분배와 케라틴 스폰지층의 특성을 조사할 예정이다.