瓢虫不仅是农田中捕食害虫的“益虫卫士”，其多样的食性更是生物演化研究的绝佳模型。瓢虫科Coccinellidae至少包含6000余种物种，食性多样：约36%捕食介壳虫，20%捕食蚜虫，20%取食植物叶片，其余则以真菌、花粉或其他节肢动物为食。瓢虫祖先在约1.4亿年前从食菌转向捕食蚜虫、介壳虫等胸喙亚目昆虫，部分类群（如食植瓢虫族Epilachnini）进一步演化出植食性。但这种食性转变如何驱动基因组层面的适应性演化研究仍存在较大空白。

近日，中山大学生态学院庞虹教授课题组联合国际科研团队，通过比较基因组与转录组分析，解析了25种甲虫基因组和62种瓢虫总科Coccinelloidea物种转录组数据，揭示了瓢虫从食菌到食虫再到食植演变的潜在分子机制。

研究团队新测序不同食性的孟氏隐唇瓢虫Cryptolaemus montrouzieri（染色体级别）、稻红瓢虫Micraspis discolor、茄二十八星瓢虫Henosepilachna vigintioctopunctata、无点拟豆形瓢虫Cynegetis impunctata的基因组和25种瓢虫总科物种的转录组，结合以往发表的数据构建87个物种的数据集进行了系统发育分析，验证了瓢虫科Coccinellidae、食植瓢虫族Epilachnini和瓢虫族Coccinellini三个节点的食性转变事件。

研究发现，这三个节点上数量发生重大变化（包括扩张、收缩、获得、丢失）的基因大多与化学感受、消化、解毒和免疫等功能有关。同时，通过转录组测序发现，多种瓢虫取食不同食物时表达量显著变化的基因也大多与这四种功能有关，且这四类基因大多在肠道和触角等功能器官大量表达。这一结果证明了这四类基因在瓢虫食性转变过程的重要作用。

图1 瓢虫主要谱系（瓢虫科）和外群甲虫的系统发育树及与食性相关基因。基于770个近单拷贝蛋白质编码基因，使用IQ-TREE和MCMCTREE构建了时间校准的最大似然系统发育树。PCWDE：植物细胞壁降解酶，GH9：糖苷水解酶家族9，CE13：碳水化合物酯酶家族13。照片由Hermes E. Escalona、杜雪勇、陈培涛、唐雪飞和庞虹提供。

进一步对这些基因深入解析发现，瓢虫科祖先在从食菌转变为食虫的过程中气味结合蛋白（OBP）基因显著扩张，可能帮助捕食性瓢虫识别蚜虫示警素等猎物相关的化学信号。在食植瓢虫中OBP基因进一步扩张，可能帮助它们感知植物的挥发物从而定位寄主植物。

消化和解毒方面，食植瓢虫中大量基因发生扩张，瓢虫科祖先也有少量基因发生扩张，可能与应对植物和猎物体内植物成分的复杂营养和毒素有关。食植瓢虫中丢失了部分几丁质相关的基因，可能与不再消化昆虫猎物的几丁质成分的需求转变相关。另外，瓢虫科祖先从食菌转变为食虫后，基因组中缺乏绝大部分植物细胞壁降解酶基因，符合捕食性瓢虫的需求转变，也暗示了食植瓢虫中存在与其他食植甲虫不同的植物细胞壁降解策略，值得进一步研究。

免疫基因方面，瓢虫科祖先在转变为取食胸喙亚目昆虫猎物后，抗菌肽、溶菌酶等免疫效应器基因发生了新基因的产生、从细菌中获得，或者新的序列结构片段的产生的变化，可能与应对胸喙亚目中丰富的共生菌有关。

图2 瓢虫中可能与化学感应、解毒、消化和免疫相关的候选基因功能分析。

A. 在瓢虫科（Coccinellidae，食菌转变为食虫）、瓢虫族（Coccinellini，食蚧转变为食蚜）和食植瓢虫族（Epilachnini，食虫转变为食植）节点上显著扩张、显著收缩、新出现或丢失的基因家族（即谱系特异性进化基因家族：LEGF）的功能富集分析。

B. 肉食性和植食性瓢虫之间差异表达基因的功能富集分析和高表达组织。热图颜色表示具有目标功能的所有基因中差异表达基因（DEGs）的比例。星号表示具有统计学显著性（校正后p值<0.05）的富集。

C. 火山图显示孟氏隐唇瓢虫（Cryptolaemus montrouzieri）雌性成虫以蚜虫替代粉蚧为食时，基因表达差异的对数倍数变化、高表达组织和功能。

通过基因组和转录组解析瓢虫食性转变的分子机制不仅为昆虫适应性演化提供了新视角，也为农业害虫防控和天敌昆虫利用提供了理论依据。这些分子机制还需要进一步的实验验证，瓢虫的食菌、食螨等其他食性也值得进一步进行解析，本研究的发现将为瓢虫食性的深入研究提供坚实的基础。

图3 瓢虫食性相关基因在食性转变节点的演化动态。

相关成果以“Molecular evolution of dietary shifts in ladybird beetles (Coleoptera: Coccinellidae): from fungivory to carnivory and herbivory”为题发表于国际知名期刊BMC Biology（中科院1区Top）。中山大学生态学院已毕业博士生黄羽豪（现广东省科学院动物研究所就职）为论文的第一作者，庞虹教授和李浩森副教授为通讯作者，瓢虫生态与演化实验室的其他成员以及华南农业大学王兴民教授、澳大利亚联邦科学与工业研究组织国立昆虫博物馆Adam Ślipiński、Andreas Zwick、Hermes E. Escalona、信息管理与技术部Ondrej Hlinka，德国马克斯·普朗克植物育种研究所Bruno Hüttel、莱布尼茨生物多样性变化分析研究所Karen Meusemann、Bernhard Misof、弗莱堡大学Oliver Niehuis，瑞士洛桑大学Robert M. Waterhouse等学者对研究工作作出了贡献。研究受到国家重点研发计划（No. 2023YFD1400600），国家自然科学基金（No. 31970439和No. 32172472）和广东省动物保护与资源利用重点实验室开放基金（No. GIZ-KE202304）等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s12915-025-02174-2

文章来源：中山大学生态学院公众号