雌性昆虫为何“丢掉”翅膀？科学家破解百年演化谜题
雌性昆虫为何“丢掉”翅膀？科学家破解百年演化谜题
自达尔文时代以来，一个多世纪里，生物学家始终在追问：为何有些器官会在特定性别里面退化消失？如今，一项关于蟑螂的研究给出了明确的答案。
6月17日，《自然-生态与演化》在线发表了由华南师范大学教授李胜、研究员任充华团队和北京大学研究员张蔚团队合作完成的研究成果，首次在分子和细胞层面揭示了昆虫雌性翅膀退化的普适机制，不仅解释了这一广泛存在的生态适应现象，更为理解动物器官的“获得与丢失”提供了全新的理论框架。
“我们以多种蟑螂为模型，解析了雌性特异性翅退化背后的转录调控机制。”论文共同通讯作者李胜对《中国科学报》表示，团队发现性别分化核心因子Doublesex（Dsx）与变态发育关键因子E93通过演化中“重新接线”的基因线路，构成了决定翅膀命运的核心开关——DSX-E93调控轴。
审稿人Cassandra G. Extavour特别指出，该研究最精彩之处在于，它不仅发现了机制，还证明了这一机制是不同昆虫类群在演化上的“趋同演化”结果，而非偶然。
为什么要“丢掉”翅膀？
在自然界中，同一物种的雌性和雄性长得“不一样”，实在再平常不过了。雄孔雀拖着华丽的大尾巴开屏炫耀，雌孔雀却只有朴素的灰褐色羽毛；雄鹿头顶分叉的巨角用来争斗求偶，雌鹿则没有这样夸张的装备。
长久以来，科学家们的目光大多聚焦在雄性那些夸张特征是如何演化而来的——毕竟它们太显眼、太好观察了。但一个反向的问题却始终困扰着演化生物学家：雌性特有的特征，为什么会“变少”甚至“消失”？
比如，在蟑螂、蟋蟀等许多昆虫类群中，雄性长着正常的翅膀自由飞翔，雌性却完全没有翅膀或翅膀严重退化。这种被称为“雌性特异性翅退化”的现象，在昆虫界中广泛存在且经历了多次独立的演化。可这么普遍又重要的现象，背后的分子机制却长期像一个“黑箱”。
“研究首先要回答一个根本问题：雌性昆虫为什么要‘丢掉’翅膀？”论文共同第一作者、华南师范大学博士生陈昕懿说。
从左到右：陈昕懿、廖明韬、李胜、任充华。研究团队供图，下同
研究团队在国家自然科学基金等项目资助下，对昆虫纲（尤其是蟑螂）进行了广泛调查，发现雌性特异性翅退化在蜚蠊目昆虫中尤为普遍。以中华真地鳖（俗称土元或土鳖虫）为核心模型，研究人员通过行为学实验给出了令人信服的答案。
李胜指出，雄性中华真地鳖保留翅膀，主要用于求偶炫耀和种群扩散；而雌性为了适应土壤深处的穴居生活，演化出了无翅状态。研究团队做了一个巧妙的实验：人为给雌性土元贴附假翅，结果发现这些“装了翅膀”的雌性在钻入土层时受到了明显阻碍。
换句话说，翅膀对于雄性来说是求偶和扩散的“利器”，但对于需要深居地下躲避天敌、将更多能量投入到繁殖中的雌性来说，却成了一个“累赘”。雌性特异性翅退化，实际上是一种为了适应特定生态环境而产生的“适应性创新”。
谁在幕后操纵？
弄清楚了“为什么要退化”，接下来的问题是：谁在幕后操纵这一过程？
研究团队将目光锁定在昆虫性别分化通路的核心基因—— Dsx 上。这个基因在昆虫中极为古老和保守，是决定雌雄差异的“总指挥”。
通过RNA干扰技术，研究团队在四种不同类型的蟑螂中进行了对比验证。结果令人振奋：在具有翅退化现象的物种中， Dsx 基因直接“接管”了翅发育的控制权——雄性特异的DSX蛋白像一把“钥匙”，开启了翅发育程序；而雌性特异的DSX蛋白则像一道“闸门”，牢牢锁住了翅的发育。
更令人惊讶的是，当研究人员在雌性中干扰了上游的剪切因子Tra后，本来无法长翅的雌性竟然长出了完整的翅膀。而在那些雌雄都有翅的物种（如美洲大蠊、德国小蠊）中，干扰Dsx并不会影响翅的形态。这说明，在演化过程中，古老的性别分化通路被“征用”来调控翅的退化。
那么， DSX 是通过哪个下游基因来执行命令的呢？答案是—— E93 ，昆虫变态发育的关键“成虫因子”。
研究表明，雄性特异的DSX蛋白能够激活E93的表达，进而开启翅形态建成的基因网络；而雌性特异的DSX蛋白则抑制E93的表达。干扰雄性中的E93会导致翅发育畸形；而同时干扰雌性中的Tra和E93，则雌性无法长出翅膀。
DSX-E93，就这样构成了一条决定翅膀“有”还是“无”的关键调控轴。
基因组的“三维地图”如何重排？
如果说找到DSX-E93调控轴是发现了“开关”本身，那么这项研究真正令人惊叹的突破，在于揭示了这一开关背后的“黑科技”——染色质三维结构的重排。
论文共同第一作者、华南师范大学博士后廖明韬表示，基因的表达不仅取决于DNA的序列本身，还取决于DNA在细胞核内是如何“折叠”的。团队利用先进的ATAC-seq和4C-seq技术，绘制了翅发育过程中的基因组“三维地图”。
他们发现，在雄性蟑螂的翅发育细胞中，雄性特异的DSX蛋白发挥类似“先锋转录因子”的功能，打开了 E93 基因附近紧密的染色质结构，使其变得松散开放。更重要的是，DSX将距离E93启动子约16kb以外的一个增强子通过空间折叠“拉”到启动子附近，形成了一个特异的“增强子-启动子环”。