蜘蛛螨唾液蛋白Fibroin-1和Fibroin-2在取食和吐丝中的双重功能解析

《Communications Biology》：Dual roles of salivary proteins in feeding and silk fiber coating in the spider mite Tetranychus urticae

本刊编辑推荐：为解析蜘蛛螨唾液与丝纤维的功能关联，研究团队通过冷冻电镜、原位杂交、丝蛋白组学和RNA干扰等技术，发现唾液蛋白Fibroin-1/sFibroin-1通过稳定口器附着促进取食，而Fibroin-2作为丝纤维涂层赋予粘附特性，揭示了唾液在蛛形纲动物适应性进化中的新型双重功能模式。

　　

在微观的植物王国里，一种肉眼难以察觉的生物——二斑叶螨（Tetranychus urticae），正以其独特的方式与宿主植物进行着激烈的军备竞赛。这种体长不足0.5毫米的蛛形纲动物，不仅能够刺穿植物表皮吸食细胞内容物，还能通过纺器分泌丝纤维构建复杂的网状结构。这些丝网既是螨群的"高速公路"，也是抵御天敌的物理屏障，更是求偶交流的信息通道。然而，长期以来科学家们对蜘蛛螨丝蛋白的认知存在一个令人困惑的谜题：基因组预测的17个丝蛋白基因中，实际在丝纤维中含量最高的却是三个本应属于唾液蛋白的家族成员——Fibroin-1、sFibroin-1和Fibroin-2。

更令人费解的是，这些蛋白同时在唾液和丝纤维中高丰度存在，它们究竟如何在螨虫生物学中扮演双重角色？是基因组注释错误，还是蜘蛛螨演化出了独特的分子功能分配策略？为解开这一谜团，来自东京农工大学的研究团队在《Communications Biology》上报道了他们对蜘蛛螨唾液与丝纤维系统的最新发现。

研究团队运用了多学科交叉的研究策略，包括冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）观察丝纤维形态特征，原子力显微镜（AFM）精确测量丝纤维直径，显微计算机断层扫描（μCT）重构腺体三维结构，RNAscope原位杂交技术定位基因表达，液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行蛋白质组定量分析，以及RNA干扰（RNAi）基因功能验证。实验采用伦敦种群和德国韦克斯多夫种群的两个二斑叶螨群体，分别饲养于菜豆、海滩草莓和四棱豆植株。

丝纤维的形态特征与唾液关联

通过冷冻扫描电镜观察，研究人员发现蜘蛛螨丝纤维呈现单根细丝或成束排列的复杂结构。

原子力显微镜测量显示单根丝纤维的平均直径仅为73.5±3.4纳米。尤为重要的是，研究者在丝纤维上观察到了典型的"串珠状"结构，这种由粘弹性流体形成的特征模式表明有液体物质附着在丝纤维表面。在番茄非腺毛等复杂基质上，丝纤维附着点可见明显的液体斑块，这些液体能够润湿并包被植物表皮蜡质晶体，显示出表面活性剂特性。在取食位点周围，丝纤维与唾液混合物形成独特的界面材料，进一步证实了唾液与丝纤维的密切关联。

唾液蛋白的合成场所与输送路径

基因表达定位研究揭示了关键发现：Fibroin-1、sFibroin-1和Fibroin-2基因均在背头足腺（DPGL）中特异性表达，而背头足腺是已知的唾液腺组织。

显微CT三维重构显示，唾液腺与丝腺在空间上完全分离，唾液导管从背头足腺发出后，向下延伸并形成180度转弯，与口针平行向前延伸至喙部末端。解剖学证据明确排除了唾液腺与丝腺直接相连的可能性，表明唾液和丝纤维是在同时分泌过程中相遇混合的。

丝纤维的蛋白质组成特征

蛋白质组学分析提供了决定性证据：在丝纤维样本中，Fibroin-1、sFibroin-1和Fibroin-2的丰度显著高于全螨体样本。

17个预测的丝蛋白候选基因中仅有8个被检测到，且它们的丰度均低于三个唾液蛋白。更值得注意的是，丝蛋白组中包含了66个已知唾液蛋白，占已鉴定唾液蛋白的69.5%。这一发现强烈表明，蜘蛛螨丝纤维实际上是由丝蛋白核心和唾液蛋白涂层构成的复合材料。

基因功能验证揭示双重作用机制

通过RNA干扰技术，研究者分别沉默了Fibroin-1/sFibroin-1和Fibroin-2基因，观察到截然不同的表型效应。

Fibroin-1/sFibroin-1沉默导致螨虫存活率、产卵量和取食活动显著降低，单个取食事件持续时间从正常情况大幅缩短。相反，Fibroin-2沉默仅影响丝纤维直径，使单根细丝明显变细，却不影响取食行为。这种功能分离现象表明，Fibroin-1/sFibroin-1主要参与口器附着和取食过程的稳定，而Fibroin-2则负责丝纤维的涂层和粘附功能。

研究结论与意义

本研究系统阐明了蜘蛛螨中唾液蛋白在取食和丝纤维构建中的双重功能机制。背头足腺合成的Fibroin-1/sFibroin-1通过稳定口器与植物表面的附着，保障了持续取食的可能，这一机制类似于蚜虫的凝胶唾液和蜱类的胶结蛋白功能。而Fibroin-2作为丝纤维涂层蛋白，赋予丝线粘附特性，其功能可类比于蜘蛛鞭毛样丝蛋白和家蚕丝胶蛋白。

这一发现不仅修正了长期以来对蜘蛛螨丝蛋白组成的认知，更揭示了蛛形纲动物中一种新型的分子功能分配策略。唾液蛋白的双重功能可能是蜘蛛螨成功适应植食性生活方式的重要进化创新。从应用视角看，针对这些关键唾液蛋白的干扰策略可能为开发新型螨类防控技术提供分子靶标。该研究建立的跨学科研究方法也为解析其他微小节肢动物的适应性进化提供了可借鉴的范式。

值得注意的是，研究中发现的丝纤维-唾液复合材料的特殊物理化学性质，如对疏水蜡质表面的润湿能力和粘附特性，可能为新型仿生粘合材料的开发提供灵感。而蜘蛛螨通过简单分子实现复杂功能的策略，也展现了自然界中"简约而高效"的进化智慧。