近日，受深圳湾实验室传染病研究所柳峰研究员邀请，西湖大学生命科学学院演化生态基因组实验室甄莹研究员到访实验室，并作题为“Evolution of Diversity and Novelty”的精彩学术报告。甄教授带领师生开启了一场由毒素抗性出发的奇妙进化之旅，并与多位研究人员围绕相关科研方向进行了深入交流与探讨。

草食昆虫强心苷抗性的收敛进化：昆虫如何“以毒攻毒”

“趋同进化”是指不同物种在类似环境选择压力下，独立演化出相似的性状或功能。甄教授首先介绍了一个典型案例：多类昆虫的幼虫与成虫能够取食夹竹桃科（Apocynaceae）植物，特别是马利筋属（Asclepias，俗称“乳草”）和罗布麻属（Apocynum，俗称“毒狗草”），这些植物可合成具有毒性的次生代谢产物——强心苷（Cardiac Glycosides）。强心苷能结合并抑制钠泵的α亚基，即钠钾交换ATP酶（Na+,K+-ATPase，简称ATPa）的关键组成部分，而该酶在调控肌肉收缩、神经传导等阳离子跨膜转运中发挥重要作用。

在昆虫中，许多以夹竹桃科植物为食的草食性类群横跨多个目，覆盖了昆虫演化史上超过三亿年的时间跨度。这些昆虫不仅能从有毒植物中获取营养，有些还能将强心苷贮存在体内作为对捕食者的化学防御武器，并进化出鲜明的警戒色作为警示信号。

甄教授课题组的研究发现，一种杂食性昆虫——日本杜科螽斯（Ducetia japonica）具备取食富含心苷毒素（cardenolides）的夹竹桃植物的能力，成为首个被报道的具强心苷抗性的螽斯科（Tettigoniidae）昆虫。研究进一步揭示，该物种的ATPα1基因发生了复制，与以毒奶草为食的专性草食昆虫具有高度相似性：一份为对毒素敏感的ATPα1A，另一份为不敏感型ATPα1B；且两种版本在不同组织中展现出组织特异性表达模式，例如在肠道中优先表达ATPα1B，从而有效屏蔽大量摄入的毒素。这种机制如同昆虫内部构建了一个“毒素过滤系统”。

更令人关注的是，研究团队在某些叶螽亚科（Phaneropterinae）祖先中也发现了ATPα1复制事件的痕迹，这一进化事件甚至可能早于目前已知强心苷产生植物的多样化过程。这一现象提示我们，昆虫可能早已预演了“解毒机制”，为日后与有毒植物的相遇做好了演化准备。

萤火虫的“光明”与“黑暗”：亮光背后的演化故事

在报告的第二部分，甄教授带我们探索了萤火虫发光行为背后的分子演化机制。萤火虫夜间闪光通常被视为警戒天敌的信号，象征其具有毒性。然而，甄教授的研究提示：发光行为的演化远比这一传统认知复杂。

研究表明，萤火虫体内的毒素——Lucibufagins（LBGs）仅在灯萤亚科（Lampyrinae）中演化出现一次，且其演化时间显著晚于发光机制的起源。由此推断，发光行为在演化早期可能并非用作警戒信号。甄教授提出了一个假说：萤火虫的发光可能起源于萤光素（luciferin）应对氧化胁迫过程中的副产物。随着进化的推进，这一副产物逐步被“功能化”和“信号化”，最终形成今日所见的生物发光现象。

此外，萤火虫并非天然具备对LBG毒素的耐受能力。研究发现，它们通过对Na+/K+-ATP酶靶点的“脱敏”以及毒素的组织隔离机制，有效避免了自体中毒。这种“自产自毒而不伤己”的策略，反映出高度精细的适应性演化过程。

趋同演化的力量：揭示新性状的遗传基础

在讲座的最后部分，甄教授展示了课题组如何利用趋同演化策略解析复杂性状的遗传机制。团队开发了一种无需全基因组比对（WGA-free）的高效方法，通过检测祖先保守片段（Ancestral Conserved Fragments, ACFs）的变化，在全基因组尺度上识别分子趋同事件。

将该方法应用于鸟类鸣唱能力的收敛演化研究中，识别出2,711个趋同丢失的祖先保守片段（Convergently Lost ACFs, CLACs），这些片段主要分布于非编码区，并在脑功能和神经组织表达通路中显著富集，富含调控神经发生相关的顺式调控元件。

在讲座最后的交流环节，甄教授围绕趋同进化的分子机制、功能验证策略及多组学整合的研究前景，与在场师生展开深入探讨。整场讲座信息密度高、案例丰富，既拓展了大家对演化生物学核心问题的理解，也为实验室在复杂性状解析与功能基因研究方向上的拓展提供了重要思路与潜在合作机会。

报告人简介：

甄莹，西湖大学生命科学学院演化生态基因组实验室研究员、博士生导师。2003年获北京大学生命科学学士学位，2009年获美国堪萨斯州立大学生物学博士学位，随后在普林斯顿大学生态与演化系开展博士后研究。2014年起，于美国加州大学洛杉矶分校生态与进化系及环境与可持续发展研究所进行博士后工作，并于2018年底全职加入西湖大学。

甄教授长期聚焦适应性演化的分子遗传机制研究，结合基因组学大数据、生物信息学分析与分子功能实验，覆盖模式与非模式物种体系。相关成果发表于Science、New Phytologist、Molecular Ecology、Genome Research等国际顶级学术期刊。其研究不仅对理解自然界的多样性与演化规律具有重要意义，也为优化生态保护修复、新药及杀虫剂的开发提供重要理论基础。

撰稿|传染病所

编辑|鲍 鲍

责编|远 山

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