日本冲绳岛冠蛇雕捕食入侵蔗蟾的Na+/K+-ATPase毒素抗性进化机制研究

本研究揭示了日本冲绳岛濒危物种冠蛇雕(Spilornis cheela perplexus)通过ATP1A1基因Q111E突变获得对入侵蔗蟾(Rhinella marina)分泌的强心甾类毒素的抗性机制。研究人员通过全基因组测序和ATP1A基因比较分析，发现该抗性特征在未接触毒素的邻近岛屿种群中同样存在，表明这是Circaetinae亚科鹰类的谱系特异性适应特征，为理解捕食者-猎物协同进化提供了新案例。

　　

在生态系统中，捕食者与猎物之间持续上演着"进化军备竞赛"的精彩戏码。当猎物发展出化学防御机制时，捕食者往往会相应进化出对抗策略。强心甾类毒素（Cardiotonic steroids）作为自然界中广泛存在的防御性化合物，能通过抑制Na⁺/K⁺-ATPase（NKA）的活性而致命。这种毒素由蔗蟾等物种分泌，对大多数捕食者构成严重威胁。然而，日本冲绳群岛的石垣岛和西表岛上栖息着一种特殊的猛禽——冠蛇雕，它们能够安全捕食入侵的剧毒蔗蟾，这一现象引发了科学家的浓厚兴趣。

京都大学野生动物研究中心的研究人员开展了一项突破性研究，揭示了冠蛇雕毒素抗性的分子机制。通过比较分析不同岛屿种群的基因组和ATP1A基因序列，发现Q111E氨基酸替换是关键抗性突变，且该特征在未接触毒素的西表岛种群中同样存在，表明这是谱系保守的适应性特征。相关成果发表在《BMC Ecology and Evolution》上，为理解捕食者-猎物协同进化提供了新视角。

研究采用全基因组重测序(WGS)分析种群遗传结构，通过PCR扩增和Sanger测序检测ATP1A基因多态性，利用PAML软件进行选择压力分析，并结合三维分子建模展示关键突变位点。样本包括石垣岛和西表岛的冠蛇雕组织样本，以及来自印度尼西亚锡默卢岛的亚种对照。

遗传种群结构

全基因组SNP分析显示，尽管地理距离仅20公里，石垣岛和西表岛冠蛇雕种群存在显著遗传分化。主成分分析和最大似然树均支持三个岛屿种群（石垣岛、西表岛和锡默卢岛）形成独立聚类，表明岛屿间缺乏基因交流。

ATP1A基因特征

在所有检测个体中均发现ATP1A1基因的Q111E抗性突变，且该位点无种群间变异。分子结构模拟显示，该突变位于强心甾类毒素结合域，与11个具有上位效应的位点共同构成抗性基础。比较分析发现，冠蛇雕与黑胸蛇雕(Circaetus pectoralis)的ATP1A1序列高度相似，提示这是Circaetinae亚科的谱系特异性特征。

进化选择分析

分支位点模型检测到冠蛇雕和黑胸蛇雕谱系中存在正向选择信号(ω>1)。值得注意的是，尽管西表岛不存在分泌强心甾类毒素的猎物，其种群仍保留完整的抗性基因型，暗示该特征可能源于祖先适应。

这项研究首次阐明了冠蛇雕毒素抗性的分子基础，揭示出Q111E突变在缺乏当前选择压力下仍能长期保留的进化现象。这一发现不仅解释了该物种能够成功捕食入侵蔗蟾的原因，更揭示了捕食者-猎物互作中"预适应"现象的重要性。研究结果为入侵物种管理提供了新思路——某些本土捕食者可能因历史进化背景而具备对抗入侵物种的先天优势。此外，ATP1A基因在Circaetinae亚科中的保守性提示，毒素抗性可能在该类群捕食策略演化中扮演关键角色。这些发现拓展了我们对化学生态学与分子进化交互作用的理解。