大规模基因组分析揭示膜翅目昆虫进化奥秘：寄生生活、次生植食性等多重关键创新的遗传基础

本研究针对膜翅目昆虫进化过程中关键创新的遗传机制尚不明确的问题，通过大规模比较基因组学分析131个物种，系统揭示了基因家族进化、蛋白结构域重组及进化速率变化的整体模式，并发现与寄生生活（parasitoidism）、蜂腰（wasp-waist）、螫针（stinger）及次生植食性（secondary phytophagy）等关键创新相关的基因组特征。研究还揭示了寄生类群（Parasitoida）与针尾部类群（Aculeata）在基因获得丢失速率、代谢通路覆盖度等方面的显著差异，为理解膜翅目昆虫的适应与多样化提供了重要见解。

　　

在昆虫世界中，膜翅目（Hymenoptera）是一个极其多样化的类群，包含超过15.3万个已知物种，如锯蜂、黄蜂、蚂蚁和蜜蜂等。这些昆虫在自然生态系统中扮演着多种关键角色，包括植食者、寄生者、捕食者和传粉者。膜翅目的进化历史中发生了多次重要的创新事件，例如从植食性向寄生生活的转变、蜂腰结构的出现、螫针的演化以及一些类群再次向植食性的回归（即次生植食性）。尽管这些创新事件被认为推动了膜翅目的物种多样化，但其背后的遗传机制仍不清楚。

近年来，随着测序技术的发展，大量膜翅目昆虫的基因组数据被公布，为从基因组层面揭示其进化奥秘提供了宝贵资源。然而，先前的研究多集中于特定类群（如蚂蚁、蜜蜂）或特定特征（如社会性），缺乏对整个膜翅目的大规模比较基因组学分析。为了填补这一空白，由浙江大学等单位研究人员领导的研究团队对131种膜翅目昆虫进行了全面的比较基因组分析，涵盖了13个总科的代表性类群。相关研究成果发表在《Molecular Biology and Evolution》上。

研究人员首先收集了公开的基因组数据，并通过严格的质量控制筛选出131个物种。这些基因组的完整性（BUSCO评估）平均达到97.26%，且78个基因组采用长读长测序技术完成，显示出较高的连续性。为了减少基因注释错误的影响，研究团队还采用基于比对的方对潜在嵌合基因和断裂基因进行了校正。通过OrthoFinder进行直系同源基因簇鉴定，共识别出33,045个基因家族，其中25.4%存在于超过70%的物种中。

基于1,002个单拷贝基因构建的系统发育树高度支持膜翅目的主要分支关系，与基于转录组、线粒体数据的研究结果一致。分析显示，植食性的锯蜂位于基部分支，寄生性的Orussoidea是蜂腰部类群（Apocrita）的姐妹群，而Apocrita内部又分为主要由寄生蜂组成的Parasitoida和包含针尾部类群的Aculeata两大支系。

在基因组变化方面，研究发现膜翅目整体呈现基因家族缩减的进化模式，共检测到63,907次基因家族扩张和106,004次收缩。一些基因家族如与信息素合成相关的脂肪酸酰基辅酶A还原酶（Fatty acyl-CoA reductase）和与嗅觉相关的气味受体（Odorant receptor）家族发生了快速进化。表皮蛋白（cuticular protein）家族，特别是CPR-RR-1、CPR-RR-2和CPAP1亚家族，也发生了显著的大小变化，可能与体壁形态的多样性相关。

蛋白结构域分析发现105个Pfam结构域家族进化速率显著加快，包括昆虫信息素结合蛋白（OS-D）、脂肪酸去饱和酶（FA_desaturase）等。域重排事件共检测到33,943次，其中41.8%由两个祖先结构域融合形成。

进化速率分析表明，与基因表达、免疫、代谢和感觉感知相关的基因进化最快，而看家功能相关基因进化较慢。全基因组比对（Cactus alignment）进一步揭示了基因组水平的保守区域和加速进化区域。

研究特别关注了与关键创新事件相关的基因组变化：

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  在寄生生活起源节点（Orussoidea与Apocrita的共同祖先），基因家族显著收缩（115个收缩，0个扩张），功能富集于刺激检测、胆固醇转运代谢等，可能与从植食向寄生的生活方式转变相关。

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  在蜂腰起源节点（Apocrita祖先），基因家族也呈现收缩趋势（30个收缩，7个扩张），表皮蛋白基因的收缩可能与蜂腰结构的形成有关。

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  在螫针起源节点（Aculeata祖先），发现了与毒液功能相关的基因家族扩张（如丝氨酸蛋白酶、磷脂酶A2等）。

研究还比较了Parasitoida和Aculeata两大支系的基因组进化轨迹：

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  Parasitoida支系中91个基因家族快速进化事件显著更多，包括组蛋白基因、胰蛋白酶（Trypsin）等

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  Parasitoida中1,604个基因家族的基因获得丢失速率显著高于Aculeata，功能富集于多糖消化、细胞内固醇运输等

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  Parasitoida的选择约束（dN/ds）变异系数显著大于Aculeata，表明其受到更多变的选择压力

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  代谢通路分析显示Parasitoida的通路覆盖度显著低于Aculeata，37条通路在Parasitoida中覆盖度显著较低，可能与寄生生活的特化相关

研究发现Parasitoida支系中存在大量基因复制事件，95个基因家族在Parasitoida中基因数量显著多于其他类群，包括化学感受、解毒和蛋白降解相关基因。特别值得注意的是，一些已知为毒液成分的基因家族（如毒液金属蛋白酶Venom metalloproteinase、毒液过敏原Venom allergen等）在Parasitoida中发生了大规模扩张，可能与寄生蜂毒液功能的多样化相关。表达分析显示这些基因在不同发育阶段和组织中具有多样化的表达模式，表明它们可能具有毒液功能之外的其他功能。

另一方面，199个基因家族在Parasitoida中的缺失比例较高，包括一些与解毒代谢和胚胎发育相关的基因，可能与寄生生活方式的适应相关。其中，卵黄蛋白原（Vitellogenin）及其受体在多个寄生蜂中的重复丢失尤为引人注目，可能导致卵黄蛋白减少或缺失，这与寄生蜂卵能够从宿主获取营养的观察一致。

研究还分析了三次独立的次生植食性进化事件（瘿蜂、榕小蜂和花粉采集蜂）。基因组变化在这些分支中表现出高度的特异性，没有发现三个分支共有的基因家族扩张、收缩或正选择基因。然而，一些功能相关的基因组变化可能与植食性适应相关，如：

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  瘿蜂和榕小蜂分支中麦芽糖酶（Maltase）家族的扩张，可能增强碳水化合物代谢能力

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  与毒液功能相关的基因家族（如Venom metalloproteinase和Venom allergen）的收缩，可能反映从攻击昆虫宿主向植食性的转变

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  蜜蜂分支中气味受体家族的大规模扩张，可能提高对植物挥发性物质的识别能力

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  围食膜蛋白（Peritrophin）家族的扩张，可能适应从肉食向花粉取食的转变

功能收敛分析发现，三个分支中特有的正选择基因有67.28%可聚类为19个功能簇，显示出功能收敛的信号，主要涉及化学感受、消化和解毒三个功能类别。

本研究采用了几项关键技术方法：研究人员收集了131种膜翅目昆虫的公开基因组数据，通过OrthoFinder进行直系同源基因簇鉴定，使用IQ-TREE构建系统发育树，利用CAFE5分析基因家族进化，通过HyPhy的aBSREL方法检测正选择基因，采用HMMER进行蛋白结构域注释，使用Cactus进行全基因组比对，并通过eggNOG-mapper进行功能注释和KEGG通路分析。

研究结论表明，膜翅目昆虫的进化历史伴随着广泛的基因组变化，包括基因家族进化、蛋白结构域重组和进化速率变化等。这些变化与关键创新事件如寄生生活、蜂腰结构、螫针和次生植食性等的演化密切相关。Parasitoida和Aculeata两大支系展现了明显不同的基因组进化轨迹，反映了它们各自适应不同生活方式的进化策略。三次独立的次生植食性进化事件虽然缺乏共有的基因组变化，但显示出功能层面的收敛进化。该研究不仅提供了膜翅目基因组进化的全面认识，也为理解昆虫的适应与多样化机制提供了重要见解。