探秘瓢虫食性转变的分子奥秘：从真菌到昆虫与植物的演化之旅

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时间：2025年03月01日

来源：BMC Biology 4.4

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研究针对瓢虫食性转变的分子机制展开研究，发现相关基因变化，为昆虫演化研究提供重要依据。

在奇妙的昆虫世界里，瓢虫可谓是家喻户晓。它们色彩斑斓，模样可爱，有的是蚜虫等害虫的克星，有的却以植物叶片为食。然而，这些小小的瓢虫是如何在漫长的进化历程中，实现从取食真菌到捕食昆虫，再到啃食植物的食性转变的呢？这一问题长期以来困扰着科学家们。此前，虽然对脊椎动物饮食转变的研究较多，但对于昆虫，尤其是像瓢虫这样食性复杂多样的昆虫，其食性转变的分子基础和机制却因缺乏合适的研究对象和足够的研究数据而难以深入探究。了解瓢虫食性转变的奥秘，不仅能让我们更深入地理解昆虫的进化历程，还对农业生产和生态系统保护有着重要意义。例如，明确某些瓢虫成为害虫的分子机制，有助于制定更精准的防治策略；而对于捕食性瓢虫，探究其食性转变原理，能更好地利用它们进行生物防治。

为了揭开这一谜团，中山大学生命科学学院等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Biology》杂志上。

研究人员运用了多种关键技术方法。在基因组测序与组装方面，他们利用 Hi-C 技术对已有的 Cryptolaemus montrouzieri 基因组进行染色体水平的组装，同时运用 Oxford Nanopore、PacBio 和 Illumina 等测序技术，对 Micraspis discolor、Henosepilachna vigintioctopunctata 和 Cynegetis impunctata 等瓢虫物种进行基因组从头测序与组装 。在基因分析层面，借助 OrthoFinder 和 KinFin 等软件进行直系同源基因分析和注释，运用 CAFE 软件识别基因家族的扩张和收缩 。此外，还通过 Illumina 平台对不同食性处理和不同组织的瓢虫样本进行转录组测序，利用 HISAT2、StringTie 和 DESeq2 等工具进行基因表达分析。

研究结果如下：

基因组、转录组和直系同源组分析：研究人员新测序和组装了 4 种瓢虫的基因组，并结合已有的基因组数据，构建了包含 10 个瓢虫物种基因组的数据集。同时，从 62 个 Coccinelloidea 转录组中推断出蛋白质编码基因集，最终确定了 148,089 个直系同源组（OGs），为后续研究奠定了坚实基础。

时间校准的系统发育和祖先状态重建：通过分析 770 个近乎单拷贝的蛋白质编码基因，研究人员推断出 87 种甲虫的系统发育关系，并利用贝叶斯方法和 11 个化石校准点估计了分歧时间。结果显示，瓢虫科起源于早白垩世，Coccinellini 和 Epilachnini 冠群分别起源于古近纪。此外，祖先状态重建表明，瓢虫科最近共同祖先的饮食很可能是介壳虫，且其饮食可能源自真菌食性，之后发生了向蚜虫食性和植食性的转变。

与食性转变相关的基因家族进化历史：研究人员在基因组数据集中搜索选择信号，量化基因家族动态变化，并鉴定出在瓢虫系统发育中与主要食性转变相关节点上的谱系特异性进化基因家族（LEGFs）。这些 LEGFs 主要富集在化学感应（如 CSP、OBP、OR）、消化（如 CAT、CBPD、CP）、解毒（如 AKR、COE、GST）和免疫（如 SPI）等功能相关的基因家族。

食性特异性差异表达基因和组织特异性基因表达：对 6 种瓢虫进行食性特异性实验和转录组分析发现，化学感应（如 CSP、OBP）、消化（如 CAT、GLC）和解毒（如 ABC、COE）相关的基因家族在至少 3 种瓢虫物种的食性比较中显著富集。消化和解毒相关基因主要在肠道中高表达，而化学感应相关基因在触角或头部高表达。

候选基因家族的进化动态：

化学感应基因家族：如 OBP、SNMP 等基因家族发生了扩张，且包含食性特异性差异表达基因（DEGs）。例如，OBP 的最大 OG（OG0000120）在 Coccinellidae 和 Epilachnini 中显著扩张，部分基因在触角或头部高表达，这可能与瓢虫感知猎物或宿主植物的挥发性物质有关。

消化基因家族：在 Epilachnini 中，多个消化相关的 OGs（如 ASP、CBPD 等）发生扩张，且这些基因在肠道中高表达，并在不同食性处理下存在差异表达。而 Coccinellidae 中，GLUT 和 FABP 基因家族扩张，且在肉食性瓢虫的肠道中高表达。此外，Epilachnini 丢失了一些与几丁质代谢相关的基因，这可能与它们从肉食性转变为植食性的消化需求变化有关。

解毒基因家族：在 Epilachnini 中，多个解毒相关的 OGs（如 ABC、AKR 等）显著扩张，且这些基因在肠道中高表达，并且在不同食性处理下存在差异表达。在肉食性 Coccinellidae 中，也有一些解毒相关基因家族（如 UGT）扩张，这表明解毒基因在肉食性和植食性瓢虫中都起着重要作用，可能用于应对猎物或食物中的毒素。

免疫基因家族：一些免疫效应 OGs（如 CWHs、COLs 等）似乎在 Coccinellidae 中从头进化，并且许多免疫相关基因在瓢虫取食非介壳虫类食物时下调。SPI 免疫调节基因家族在 Coccinellidae 和 Epilachnini 节点处扩张，且部分基因的表达具有食性特异性。这表明免疫基因可能与瓢虫应对猎物中的共生细菌有关。

研究结论和讨论部分指出，瓢虫是研究昆虫食性转变进化的理想模型。研究揭示了瓢虫在从真菌食性转变为肉食性，再到植食性的过程中，化学感应、消化、解毒和免疫相关基因家族的进化模式和表达变化。这些变化可能是瓢虫为适应不同食物来源而做出的分子适应。然而，研究也存在一些局限性，例如关于特定基因家族功能的假设还需要进一步的实验验证，未来还需要研究更多不同食性瓢虫的基因组，以完善对瓢虫食性转变分子机制的理解。但无论如何，这项研究为我们理解昆虫食性转变的分子机制提供了重要的线索，也为后续相关研究开辟了新的方向，在昆虫进化生物学和农业害虫防治等领域都具有重要的理论和实践意义。

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