羅夫甲蟲是昆蟲世界的化學(xué)家之一，它們在體內(nèi)合成有毒化合物，將其用作武器以抵御捕食者，使甲蟲能夠在地球生態(tài)系統(tǒng)的落葉和土壤中生存。12 月 9 日在《細胞》雜志上，研究一種甲蟲的研究人員報告了兩種不同的細胞類型如何結(jié)合在一起形成一個專門的腺體，用于制造和分泌這些防御性雞尾酒。這項工作對繪制整個動物王國(包括人類)中發(fā)現(xiàn)的更復(fù)雜器官的進化具有重要意義。
“這些甲蟲是了解新型生態(tài)關(guān)系如何通過分子、細胞和行為水平的變化在進化過程中出現(xiàn)的絕佳模型，”加州理工學(xué)院的資深作者約瑟夫·帕克 (@Pselaphina)說。“作為這個問題的一部分，我們對漫游甲蟲如何將它們腹部的這些腺體結(jié)構(gòu)拼湊在一起很感興趣，這些腺體結(jié)構(gòu)由不同的細胞類型共同作用組成。這些結(jié)構(gòu)是一個主要難題的體現(xiàn)：復(fù)雜的器官如何進化，這些器官通常由許多不同的細胞類型組成，這些細胞類型似乎彼此無縫合作。這種合作性是如何在進化過程中出現(xiàn)的，很難解釋。”
帕克的實驗室專注于甲蟲，部分原因是它們能夠在許多不同的生態(tài)系統(tǒng)中為自己開辟生態(tài)位，從泥土到蟻群內(nèi)部。它們能夠在其他昆蟲(如螞蟻)存在的情況下生存的一種方法是通過它們腹部的腺體釋放一種防御性化合物，從而觸發(fā)疼痛感受器。甲蟲的身體非常靈活，可以將這些化學(xué)混合物直接涂抹在捕食者身上以保護自己。
這項研究的重點是一種名為Dalotia coriaria 的甲蟲，它的腹部有一個叫做tergal的腺體，它會釋放一種由兩種化合物組成的混合物：苯醌，它們具有劇毒，但本身是固體，以及溶劑，一種烷烴和三種酯的脂肪酸衍生混合物。后一種化合物本身是良性的，但它們通過溶解苯醌將它們武器化。
Parker 的小組研究了 tergal 腺，發(fā)現(xiàn)了兩種參與生物合成分工的細胞類型。“一種細胞類型產(chǎn)生苯醌，另一種細胞類型產(chǎn)生溶劑，”帕克說。“兩者都需要創(chuàng)造一種賦予適應(yīng)性價值的功能性分泌物。”
在這項研究中，研究人員使用甲蟲腹部節(jié)段的單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)來揭示新的酶途徑，這些途徑能夠在每種細胞類型中產(chǎn)生這些物質(zhì)。然后，他們利用這些發(fā)現(xiàn)進行更深入的挖掘，探索每種細胞類型的通路是如何從在甲蟲其他地方的其他更古老細胞類型中起作用的成分構(gòu)建的。“我們能夠發(fā)現(xiàn)每種細胞類型的生物合成途徑，然后可以詢問這些途徑在進化過程中是如何縫合在一起的，”帕克指出。
值得注意的是，其中一種細胞類型——制造烷烴和酯的溶劑細胞——被發(fā)現(xiàn)是包含甲蟲外骨骼和兩種古老的代謝細胞類型的混合體，這些細胞類型可以制造和儲存脂質(zhì)并產(chǎn)生信息素。“甲蟲從這些古老的代謝細胞類型中招募了一個主要的基因表達程序，并將其安裝到一塊角質(zhì)層中，形成一個腺體，”帕克說。
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