引言

已被描述过的鞘翅目甲虫（Coleoptera）目前超过了40万种，其丰富的多样性为进化生物学研究提供了平台。夏天来临，隐翅虫进入活跃期，新闻中将隐翅虫称为“会飞的硫酸”。隐翅虫很小，通常不超过一厘米，虫体的各段均包含毒素，其分泌的毒素的pH值大约跟盐酸差不多。隐翅虫因前翅硬化像是没有翅膀而得名。然而，在鞘翅目中多样性是极度不平衡，其中75%的物种属于现存200个甲虫科中的10个。

隐翅虫的腹部防御性腺体中具有独特的小分子化学性质。隐翅虫中蚁蜂亚科的多样性最为丰富，这主要是由于其防御性腺体可以分泌出强效的含苯醌的分泌物从而免受蚂蚁等捕食者的侵害。正是由于这一特点，蚁蜂亚科能够在全世界爆发性地繁衍生息。蚁蜂亚科中防御腺体中主要包括两种细胞类型，系统作用帮助产生防御性分泌物。这两种细胞类型分别是BQ细胞和溶剂细胞（Solvent cells），BQ细胞将食物中的芳香族氨基酸转化为有毒的苯醌，但是这些分泌物都是固体，想要发挥作用需要第二种细胞溶剂细胞来合成脂肪酸衍生物将苯醌溶解。

为了对隐翅虫“生化武器”化学创新进化的基因组学以及细胞学基础进行研究，7月11日，美国加州理工大学Joseph Parker研究组在Cell上发表了文章The genomic and cellular basis of biosynthetic innovation in rove beetles，利用比较基因组学、细胞特异性转录组学、酶功能、腺体化学以及细胞生物方法相结合，对隐翅虫的谱系辐射进化进行了追踪。

为了对隐翅虫生物学进行更为深入的研究，作者们首先对实验室隐翅虫模型（Dalotia coriaria）的参考基因组进行了高质量、染色体水平的组装（图1）。之后通过比较基因组学对隐翅虫的基因组进化特征进行比较，将隐翅虫主要分为A分支、HA分支、Q分支、APL分支以及E分支，其中E分支中苯醌/脂肪酸在进化中丢失。图1 实验室隐翅虫参考基因组组装（Credit: Cell）随后，作者们希望对隐翅虫的化学进化进行分析。为此，作者们从比较基因组学所得到的不同进化树分类单元中提取防御性腺体中的分泌物，并使用气相色谱-质谱法对其化学成分进行表征。经典的防御性腺体分泌物是苯醌BQ，苯醌结合TRPA1通道激活神经元诱发疼痛。苯醌作为固体化合物需要溶解在因此溶解在由烷烃、烯烃、脂肪族酯、醛或它们的组合组成的脂肪酸FA中。作者们在大多数HA演化分支中发现了BQ/FA混合物。在Q分支中脂肪酸衍生的溶剂这一特点仍然存在，但是确切的脂肪酸化合物却有着很大的差异。比如说Q进化分支中中链、醋酸盐和一些长链酯等脂肪酸溶剂存在独立进化。酯被证明可以增加防御性分泌物的润湿性，酯类溶剂在部分物种中已经取代烷烃称为主要的溶剂。E分支中的成员则在进化中失去了苯醌以及溶剂，这与该分支中防御性腺体的退化相一致。之后，作者们对产生毒素的BQ细胞以及产生脂肪酸的溶剂细胞分别进行了转录组SMART-seq分析。作者们发现Q分支中的隐翅虫防御性腺体的基因表达谱具有深度的保守性。另外，作者们也对HA分支中防御性腺体分泌物进行检测，揭开了不同进化分支上细胞水平上的基因表达差异。最后，作者们对共生体（Symbionts）进行了探究。共生体已被证明会使用分泌物来迷惑、安抚工蚁或者诱使甲虫进入巢穴。为了探究这一现象，作者们将目光集中在嗜蚁属 Liometoxenus上。Liometoxenus主要生存在Liometopum 蚂蚁群落中。作者们发现该种甲虫能够与寄主工蚁进行着行为互动，Liometoxenus分泌出一种挥发性混合物，可以使得蚂蚁像是醉酒一样，削弱其运动能力并减弱对隐翅虫的攻击。作者们对Liometoxenus分泌腺体的化学成分进行解析，发现了包含18种类别复杂的混合物。图2工作模型（Credit: Cell）总的来说，作者们通过基因组组装、比较基因组学、进化树构建、细胞特异性转录组学等方法对隐翅虫的防御性腺体的分泌特征以及进化特征进行了刻画，并对隐翅虫与蚁类共生体这一高复杂性的分泌特征进行检测，为隐翅虫进化多样性与不平衡性提供了大规模的研究资源。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.05.012

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

End