多物种中强心苷类毒素耐受性的趋同演化的分子机制研究

How predictable is adaptive evolution? What are the factors that limit the rate of adaptation? Convergent evolution provides a unique system to address these fundamental questions in evolution. Many plants and animals produce toxins called cardenolides for defense, while a large number of animal species independently evolve the ability to tolerant these toxic cardenolides, which target and inhibit the function of Na,K-ATPase (ATPalpha). We propose to examine the adaptive evolution in ATPalpha genes across these species, including amino acid substitutions, gene duplications and changes in their tissue specific expression patterns. By understanding the independent adaptive molecular evolution of ATPalpha in a number of species, we could quantitatively measure the repeatability and predictability of the evolution of this trait. Further we will estimate the importance of pleiotropy and epistasis in constraining the evolutionary path of cardenolide resistance and test them using molecular docking simulation and functional assays. Moreover, we will examine patterns of substitutions across the genome and identify candidate genes under molecular convergence. This will give insights into other possible mechanisms of cardenolide resistance and associate adaptive traits such as warning coloration and the ability of active cardenolide sequestration and transportation. Overall the proposed study will help understand the dynamics and principles of adaptive evolution.

适应性进化的分子路径是否可重复？何种因素能影响适应性进化的速度？趋同进化系统为研究这些重要问题提供了有效的工具。自然界很多动植物合成强心苷类化合物防御天敌捕食，强心苷可抑制钾钠泵蛋白活性而有毒，但已知上百个物种演化出对该毒素的耐受性。本课题以强心苷耐受性的趋同进化为模式系统，通过对大量物种耐受性分子机制的理解来研究适应性进化的可预测性和可重复性。一方面将深入研究钾钠泵蛋白相关的适应性机制，包括特定位点的适应性突变、钾钠泵基因的复制、多拷贝基因的组织差异表达，通过对大量独立演化案例的进化统计分析来量化这些适应性机制的可重复性，并通过分子对接模拟、细胞株耐受试验、转基因突变果蝇来确认基因多效型和上位效应作为限制因素的影响；另一方面将通过基因组扫描的方法找到其它趋同进化的基因位点，以更全面的理解其它可能的耐受性分子机制、以及与耐受性相伴而生的其它适应性如警示色和毒素体内转运等的分子机制。

趋同演化的表型在分子遗传水平上的趋同可以帮助我们理解适应性演化的可重复性和可预测性。钾钠泵蛋白变异介导的强心苷毒素耐受性在昆虫中的趋同演化是目前研究分子趋同的模式系统之一，但之前的研究多集中在北美少量物种，关注的位点也较局限，该耐受性在分子水平上的趋同及其耐受机制尚未被完全解析，本项目对此开展研究，主要研究内容和成果包括：1）首次发现杂食性昆虫日本条螽对强心苷毒素耐受，具有钾钠泵基因复制、组织差异表达、耐受性拷贝突变的积累和快速演化等与之前案例相似的分子趋同。该新案例的特殊点是杂食物种在较弱选择压力下与专食性物种演化上也有分子趋同，以及该耐受性的演化发生在露螽亚科的共同祖先里、早于已知含强心苷毒素植物的出现。2）探讨了自身合成强心苷类毒素的萤火虫的耐受性遗传机制，通过对中国萤科物种样品的广泛采集（发现并鉴定3个新物种）和研究，发现仅萤亚科物种含有毒素，该亚科的钾钠泵蛋白积累了一些尚未报道的突变，可能影响其与毒素的亲和力，赋予其对自身毒素的耐受性。3）研究了钾钠泵蛋白特异耐受性突变在富集毒素的植食性昆虫的捕食者中的演化，发现在食物链上一级的捕食者中没有演化出介导强心苷毒素耐受性的钾钠泵突变，说明捕食者可能通过其他机制来应对偶尔食用的毒素。4）通过比较基因组方法筛选分子趋同信号，对有参考基因组的三个强心苷耐受代表物种进行全基因组趋同信号扫描分析，结合更多有转录组数据的耐受物种进行更大范围检测，结合手动筛选得到候选趋同信号。本项目计划发表论文2-3篇，实际发表标注资助的论文5篇，包括第一标注的通讯作者论文3篇，培养博士2名、博士后1名。