羅夫甲蟲(chóng)是昆蟲(chóng)世界的化學(xué)家之一，它們?cè)隗w內(nèi)合成有毒化合物，將其用作武器以抵御捕食者，使甲蟲(chóng)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(xì)胞》雜志上，研究一種甲蟲(chóng)的研究人員報(bào)告了兩種不同的細(xì)胞類(lèi)型如何結(jié)合在一起形成一個(gè)專(zhuān)門(mén)的腺體，用于制造和分泌這些防御性雞尾酒。這項(xiàng)工作對(duì)繪制整個(gè)動(dòng)物王國(guó)(包括人類(lèi))中發(fā)現(xiàn)的更復(fù)雜器官的進(jìn)化具有重要意義。
“這些甲蟲(chóng)是了解新型生態(tài)關(guān)系如何通過(guò)分子、細(xì)胞和行為水平的變化在進(jìn)化過(guò)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(shuō)。“作為這個(gè)問(wèn)題的一部分，我們對(duì)漫游甲蟲(chóng)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(xì)胞類(lèi)型共同作用組成。這些結(jié)構(gòu)是一個(gè)主要難題的體現(xiàn)：復(fù)雜的器官如何進(jìn)化，這些器官通常由許多不同的細(xì)胞類(lèi)型組成，這些細(xì)胞類(lèi)型似乎彼此無(wú)縫合作。這種合作性是如何在進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)的，很難解釋。”
帕克的實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)注于甲蟲(chóng)，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(kāi)辟生態(tài)位，從泥土到蟻群內(nèi)部。它們能夠在其他昆蟲(chóng)(如螞蟻)存在的情況下生存的一種方法是通過(guò)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(chóng)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(hù)自己。
這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是一種名為Dalotia coriaria 的甲蟲(chóng)，它的腹部有一個(gè)叫做tergal的腺體，它會(huì)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(guò)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(xì)胞類(lèi)型。“一種細(xì)胞類(lèi)型產(chǎn)生苯醌，另一種細(xì)胞類(lèi)型產(chǎn)生溶劑，”帕克說(shuō)。“兩者都需要?jiǎng)?chuàng)造一種賦予適應(yīng)性?xún)r(jià)值的功能性分泌物。”
在這項(xiàng)研究中，研究人員使用甲蟲(chóng)腹部節(jié)段的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)來(lái)揭示新的酶途徑，這些途徑能夠在每種細(xì)胞類(lèi)型中產(chǎn)生這些物質(zhì)。然后，他們利用這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)行更深入的挖掘，探索每種細(xì)胞類(lèi)型的通路是如何從在甲蟲(chóng)其他地方的其他更古老細(xì)胞類(lèi)型中起作用的成分構(gòu)建的。“我們能夠發(fā)現(xiàn)每種細(xì)胞類(lèi)型的生物合成途徑，然后可以詢(xún)問(wèn)這些途徑在進(jìn)化過(guò)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(xì)胞類(lèi)型——制造烷烴和酯的溶劑細(xì)胞——被發(fā)現(xiàn)是包含甲蟲(chóng)外骨骼和兩種古老的代謝細(xì)胞類(lèi)型的混合體，這些細(xì)胞類(lèi)型可以制造和儲(chǔ)存脂質(zhì)并產(chǎn)生信息素。“甲蟲(chóng)從這些古老的代謝細(xì)胞類(lèi)型中招募了一個(gè)主要的基因表達(dá)程序，并將其安裝到一塊角質(zhì)層中，形成一個(gè)腺體，”帕克說(shuō)。
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