草蛉毒液系统的演化机制：基因组学与转录组学揭示昆虫毒液复杂性的分子基础

《Molecular Biology and Evolution》：The green lacewing venom system and the complex mechanisms underlying its evolution

本研究针对神经脉翅目昆虫毒液系统演化机制不清的问题，通过整合高质量基因组、长读长转录组、显微CT重建和功能实验，首次系统揭示普通草蛉（Chrysoperla carnea）毒液具有昆虫杀伤性和细胞毒性，其毒素库通过基因复制、结构域丢失、共选择及罕见的选择性剪接等多重分子机制演化形成，为昆虫毒液系统演化提供了新范式。

　　

在动物界中，毒液系统作为独立演化的典型范例，已超过100次在不同谱系中独立出现，成为研究生物复杂性演化的理想模型。然而长期以来，研究焦点集中于少数医学相关类群（如蛇类），而昆虫这一物种最丰富的 Eukaryotes 类群中多数毒液系统仍待探索。神经脉翅目（Neuroptera）作为可追溯至二叠纪（约2.81亿年前）的古老昆虫目，其幼虫阶段具有高度特化的捕食结构——上颚与下颚连接形成摄食管，下颚内具毒液管，但成虫无毒液能力。尽管草蛉幼虫被广泛应用于农业害虫生物防治，其毒液系统的分子机制与演化路径始终笼罩在迷雾中。

以往研究多集中于蚁狮（Myrmeleontidae）体内共生细菌产生的毒素，而近期研究发现欧洲蚁狮（Euroleon nostras）毒液实则富含动物毒液典型毒素（如磷脂酶A₂）。与之相对，普通草蛉（Chrysoperla carnea）毒液虽含细菌蛋白，但昆虫源性成分的作用与演化机制尚未明晰。针对这一知识空白，由奥斯陆大学 Eivind A.B. Undheim 领衔的研究团队在《Molecular Biology and Evolution》发表论文，通过多组学整合分析揭示了草蛉毒液系统的复杂演化机制。

研究团队采用PacBio长读长测序技术对雄性草蛉个体进行基因组测序，并对其后代进行覆盖全生命阶段的Iso-Seq转录组测序，获得约600 Mbp的基因组组装结果（contig N50为37 Mbp）。通过显微CT技术重构毒液腺体三维结构，结合组织特异性转录组与毒液蛋白质组学，解析毒液成分与功能。功能实验采用非侵入性CO₂诱导毒液提取法，以黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）成虫及S2细胞为模型评估毒液活性。

毒液系统形态与功能创新

显微CT重构显示草蛉幼虫具两对毒液腺：上颚毒腺（MXVG）含侧毒腺（LVG）与中毒腺（MVG），头毒腺（CVG）通过毒管连接至MXVG，形成独立于消化道的封闭系统。组织转录组聚类表明CVG与MXVG表达谱高度相似，确认其协同分泌功能。功能实验证实毒液对果蝇S2细胞具浓度依赖性细胞毒性（10 ng/μL时存活率降至20.4%），对成虫注射可诱发麻痹表型（PD₅₀为9.4 ng毒液/mg果蝇），证明毒液兼具消化与麻痹双重功能。

毒液成分与演化机制

蛋白质组学鉴定出1,134种蛋白质（对应659个基因），经信号肽筛选得281个毒液基因（466种异构体）。酶类成分占比42%，包括S1丝氨酸蛋白酶、几丁质酶（GH18）、C1A半胱氨酸蛋白酶、M10金属蛋白酶等。核心毒液富含磷脂酶A₂（PLA₂）、PLA₁、M2金属蛋白酶等典型毒素家族。研究发现15个气味结合蛋白（OBP）旁系同源物，其中12个属于新型六半胱氨酸支架（N-OBP），可能通过二硫键框架变异实现功能创新。

基因家族扩张与共选择

S1丝氨酸蛋白酶家族鉴定出227个旁系同源物，分为含CLIP结构域（NVCLIP）与不含CLIP结构域（NVSP）两类。系统发育分析显示NVCLIP与NVSP多次独立招募至毒液，部分基因在毒腺组织特异性高表达，另一些则在多组织共表达，揭示共选择与基因复制共同驱动毒素多样性。值得注意的是，NVSPx11因催化三联体缺失可能已发生新功能化，类似蛇毒中非酶活性PLA₂的演化模式。

结构域丢失与新毒素诞生

通过序列比对发现一个未表征肽段（Neuropterin-1）与两个类胰蛋白酶抑制剂（N-TIL-like）同源，但完全丢失半胱氨酸富集区。质谱分析显示其C端结构域在分泌前被切割，N端区域为活性核心。该案例演示了基因复制后结构域丢失如何促成新毒素演化，为理解蛋白质模块化演化提供范例。

选择性剪接的贡献

SUPPA2分析显示74个毒液基因发生183次选择性剪接事件，其中9个核心毒液基因的剪接变异导致超过3个氨基酸的插入/缺失，可能产生功能分化。特别是一个丝氨酸蛋白酶抑制剂（Serpin）基因通过外显子重复与选择性剪接在不同组织与发育阶段表达异构体，其在寄生蜂中已知可抑制宿主酚氧化酶级联反应。系统发育分析表明该基因在多种毒昆虫谱系中独立招募，提示选择性剪接是昆虫毒液减少功能冲突的保守机制。

本研究颠覆了此前对草蛉毒液简单以消化功能为主的认知，揭示其通过基因复制、共选择、结构域创新及选择性剪接等多层次分子机制构建复杂毒素库。草蛉与蚁狮毒液成分相似性高于预期，提示神经脉翅目毒液系统演化存在深层保守性。该工作不仅为昆虫毒液演化研究建立新范式，更彰显整合基因组学与功能分析在解析复杂性状演化中的强大潜力。