绿头蚁基因组揭示超多样社会性物种中毒素进化的机制

　　本研究针对澳大利亚绿头蚁(Rhytidoponera metallica)群体内极端遗传变异与毒素多样性的进化机制问题，通过构建高质量基因组图谱，揭示了ectatotoxin基因家族的扩张模式、转座元件介导的进化机制以及频率依赖性选择维持群体水平毒素多样性的新机制，为理解社会性昆虫的多层次选择提供了重要见解。

　　

在昆虫社会的演化长卷中，蚂蚁堪称社会性行为的典范，其利他行为的维持通常用亲缘选择理论来解释。然而自然界总存在特例——澳大利亚绿头蚁(Rhytidoponera metallica)便是这样一个挑战传统认知的物种。这种蚂蚁群体内存在着极端的遗传变异，工蚁之间的亲缘关系之低在蚂蚁中极为罕见，以至于曾被学者预言为"退化的社会性，可能正走向灭绝"。但令人惊讶的是，这种看似不稳定的社会结构却成就了它在澳大利亚大陆上最成功的蚂蚁物种之一。

这种成功背后的秘密可能隐藏在其毒液之中。绿头蚁的毒液中含有大量ectatotoxin肽类毒素，每个群体中可存在多达100种不同的毒素变体，这比其他蚂蚁物种高出五倍以上。这种惊人的多样性是如何产生和维持的？它与群体遗传结构有何关联？这些问题的答案对于理解社会性进化机制具有重要意义。

为了解开这些谜团，Anders Isaksen等研究人员在《Genome Biology》上发表了最新研究成果。他们采用PacBio HiFi测序技术对单个工蚁进行全基因组测序，通过Hifiasm软件组装获得395 Mb的高质量基因组草图，contig N50达到3.43 Mb，BUSCO完整性评估为97%。利用funannotate流程进行基因注释，并结合miniprot和ToxCodAn-Genome等专门工具对ectatotoxin基因进行特殊注释。研究人员还采用钙成像技术分析毒素功能，通过测量背根神经节细胞内Ca²⁺浓度变化来评估不同毒素变体对哺乳动物感觉神经元的作用，并使用家蟋蟀(Acheta domesticus)进行昆虫 incapacitation 实验。

研究结果揭示了ectatotoxin基因的基因组架构特征。研究人员在基因组中鉴定出45个ectatotoxin基因位点，其中36个集中在5个基因簇中，主要分布在contig 2、7和27上。这些基因表现出两种不同的外显子结构：Type 1为双外显子结构，第一外显子编码信号肽和前肽，第二外显子编码成熟肽；Type 2为三外显子结构，成熟肽由第二和第三外显子共同编码。

基因家族进化分析显示ectatotoxin基因经历了复杂的扩张过程。研究发现这些基因簇中含有多个近期重复的迹象，如contig 2上的Rm1a编码基因有两个完全相同的编码序列，但内含子长度不同；contig 27上的Rm6a和Rm52c也由多个位点编码。系统发育与物理位置关系的比较表明，基因簇中的毒素来自不同的进化枝，且系统发育关系不能很好地预测其基因组分布。

转座元件可能在毒素基因进化中发挥重要作用。研究发现毒素区域富含转座元件，特别是Tc1/Mariner类DNA转座子。在contig 2上，Tc1/Mariner转座元件侧接Rm1a和Rm4a基因，研究人员据此提出假设：昆虫毒性的Rm1a可能是从脊椎动物特异性的防御性毒素Rm4a通过基因重复进化而来，这一过程由转座元件介导。

群体水平的毒素组成包含功能不同的等位基因变体。研究发现大多数ectatotoxin位点存在多个等位变体，每个可变位点平均有4.13-4.5个等位基因。功能实验表明，等位基因变体具有不同的功能特性：Rm1a及其等位变体Rm1b、Rm1c和Rm2a对家蟋蟀有麻痹作用，而Rm3a、Rm4a或Rm5a则无此效果；在背根神经节细胞实验中，Rm4a和Rm5a能快速激活96%和70%的细胞，而Rm1a仅激活35%的细胞，且速度较慢。

杂合性分析揭示毒素区域受到特殊选择压力。研究发现毒素区域的杂合性(平均1.48%)显著高于非毒素区域(平均0.48%)。第二、第三外显子(编码成熟肽)的非同义杂合核苷酸数量高于第一外显子(编码信号肽和前肽)。毒素基因的非同义与同义杂合位点比率(π_N/π_S)接近1(符合中性预测)，而非毒素基因的比率仅为0.25(表明纯化选择)，但某些ectatotoxin如Rm1a的π_N/π_S远大于1，表明正选择。

研究结论与讨论部分指出，绿头蚁毒液的主要成分ectatotoxin通过基因重复和后续新功能化的"经典毒素"基因进化模式演变，这些重复至少部分由转座元件存在所促进，导致具有复杂进化历史的ectatotoxin基因簇的形成。新功能化似乎由经典的正选择驱动，尽管可能是在不太典型的频率依赖性选择机制下进行。

尽管从单个工蚁获得的基因组为了解绿头蚁毒素 arsenal 的基因组架构提供了高分辨率视角，但几个问题仍有待解答，包括GC组成偏倚对ectatotoxin突变率的影响，外显子改组和其他小规模结构变异在增加毒素遗传变异中的潜在作用，以及通过确定群体内等位基因频率直接检验选择作用。

研究人员提出频率依赖性选择是最有可能解释毒素区域观察模式的理论：尽管强方向性选择会导致有益突变等位基因的固定，并导致杂合性水平降低，但研究发现在毒素区域杂合性升高，包括存在功能可变和效力较低的等位基因。遗传多样性可以通过杂合子优势或负频率依赖性选择在群体中维持。绿头蚁是广食性捕食者，捕食各种节肢动物和无脊椎动物，工作者之间独特的毒素组合可能使群体作为超个体能够利用更多资源，更精确地针对各种不同的猎物和捕食者。

这项研究为社会性昆虫中多层次选择的作用提供了新的见解，表明群体选择可能有利于毒素多样性和通过gamergate繁殖产生的多雌现象，这将减少亲缘关系的影响。这一发现提出了关于影响遗传多样性蚂蚁群体中毒液进化的选择水平和单位的有趣问题，或许对于社会性生物的整体进化也是如此。