日落时分，一只通体碧绿的螽斯正趴在叶片上大快朵颐。有趣的是，这叶片恰巧来自剧毒的夹竹桃，前些日子还有新闻报道有人含着夹竹桃花拍照被紧急送入医院。夹竹桃的毒性则主要来自于一类被称为强心苷的化学物质，这类化学物质可以与细胞膜上的钠钾离子泵特异性结合，从而抑制其功能，影响离子转运，进一步导致动物的神经、运动、消化系统功能受损，而这也是包括夹竹桃在内的一些植物用来抵抗昆虫啃食的策略。然而，强心苷的毒性并非对所有的昆虫都有效果，之前已经有相关研究和报道，包括帝王蝶、夹竹桃蚜、夹竹桃天蛾等等，遍布昆虫多个不同的目，对强心苷毒素都有耐受性。之前发现的这些昆虫全部都是植食性且大多数食性较为单一，专门以有毒的夹竹桃科植物为食，有些还演化出把食物中的毒素富集到自己体内的特异功能，而且大多数有鲜艳的警戒色来警告其它捕食者“我有毒”。而这只螽斯就与众不同了，这是一只日本条螽，广泛分布于亚洲地区，食性复杂，食谱包括多种植物，甚至其它小昆虫；上海植物园之前还拍摄到它的若虫捕食萤火虫的视频。从外观上来看，日本条螽通体碧绿，背部有一条神色线条贯穿，正如其名，是典型的保护色而非警戒色。问题来了：日本条螽可以吃夹竹桃叶片是个例还是普遍存在的？它的抗毒机制是怎样的？它会把毒素排出体外还是保存下来作为自己的保护机制呢？这种毒素耐受机制什么时候、又是怎么演化而来的呢？

带着这些问题，我们进行了一系列的实验和分析。首先，我们野外采集了多只日本条螽并带回实验室使用夹竹桃叶片作为食物进行饲养，我们发现这些螽斯可以在只吃夹竹桃叶片的情况下长期健康存活。接下来我们通过HPLC对夹竹桃叶片、日本条螽去掉肠道的全部身体（包括喂养大豆叶片以及夹竹桃叶片），以及粪便进行强心苷含量的检测。检测结果很清晰，日本条螽去掉肠道体内，包括喂养不同种类叶片，以及喂养大豆叶片的螽斯粪便内都没有检测到强心苷的存在，而在夹竹桃叶片本身以及喂养夹竹桃叶片的螽斯粪便内检测到相近的强心苷。这个结果说明，日本条螽并不会在体内存储强心苷，而是直接排出体外。

那日本条螽究竟是怎么抵抗强心苷的毒性的呢？强心苷对钠钾离子泵的抑制是基于其与钠钾离子泵α亚基（ATPα）的结合，之前研究在强心苷耐受的昆虫中发现ATPα的蛋白序列一些关键位点发生了突变可以影响毒素与ATPα的结合。日本条螽是也拥有相同的耐受机制呢？我们对日本条螽不同组织（头、胸部肌肉、肠道）进行了测序。我们发现了很有趣的现象，在头部以及胸部肌肉中，我们都只发现了一种ATPα（ATPα1A），其关键位点并没有突变；而我们在肠道中却发现了两种不同的ATPα（ATPα1A和ATPα1B），ATPα1B在多个关键位点有突变可能影响其与强心苷的结合。

我们进一步通过分子对接模拟、体外酶活实验和定量PCR证明了ATPα1A对毒素敏感并在不同组织中均有表达，而ATPα1B对强心苷毒素具有更强的耐受性，且只在条螽肠道中特异性表达。这与之前专门以有毒的夹竹桃科植物为食的一些昆虫的耐受机制几乎是一模一样，在正常情况下，有毒的夹竹桃可能只是条螽食谱中可有可无的一小部分，在这种不大的选择压力下拥有与专食性昆虫一样的特异的耐受强心苷毒素的情况还是第一次被发现。

为了研究条螽这种毒素耐受机制什么时候演化而来的，我们对螽斯的姐妹物种的转录组数据也进行了分析，确定了ATPα的复制和耐受性拷贝的快速演化在条螽所在的露螽亚科的物种里共有，而在与其关系较近的其他亚科中并未出现，因此应该发生在露螽亚科的共同祖先里。我们调查发现，露螽亚科的共同祖先大概生活在距今一亿两千万年，而目前认为强心苷是一种较为少见的毒素，产生强心苷毒素的主要植物类群 - 夹竹桃科的共同祖先则出现于距今大约五千八百多万年，也远远晚于露螽亚科的共同祖先演化时间，而已知的其他产生强心苷毒素的植物的出现时间也是如此。这个发现是非常让人惊讶的，露螽亚科的共同祖先为什么要演化出来对强心苷毒素的耐受性呢？一种可能是这种耐受性的演化发生在产生强心苷毒素的植物出现之前，并不是专门针对富含强心苷的食物的适应性演化的结果，而让露螽亚科的物种提前演化出对强心苷的耐受性；另一种可能是目前未知的或者是已经灭绝的古老的植物类群也可以产生强心苷毒素，它们作为露螽亚科的共同祖先的食物驱动了强心苷的耐受性的演化。

这个故事于2022年12月28日发表在iScience，题为“Gut-specific cardenolide-resistant sodium pump primed an omnivore to feed on toxic oleander”

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105616

西湖大学2018级博士研究生王田雨为本文第一作者，科研助理施丽娜为第二作者，甄莹研究员为本文通讯作者。该研究得到了上海植物园、西湖大学质谱平台及高性能计算中心的支持与帮助。该研究受到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、西湖实验室、浙江省结构生物学重点实验室的资助和支持。

西湖大学生命科学学院甄莹团队以探索适应性演化的分子遗传机制为中心，结合基因组学大数据、生物信息学分析和分子遗传试验，在不同的模式和非模式生物体系中研究适应性演化的分子机制。目前课题组主要研究方向包括但不限定于：1. 利用趋同演化体系更深入的研究适应性演化机制及其限制因素；2. 理解不同生态环境下自然种群生物多样性发生规律及适应性演化机制；3. 解析全新性状演化的遗传发育基础及规则。

欢迎对演化基因组学感兴趣的同学及博士们加入我们，目前实验室有岗位欢迎有单细胞测序建库、果蝇遗传学、非模式昆虫转基因经验的小伙伴直接联系甄莹老师zhenying@westlake.edu.cn。