隐翅虫（rove beetles）是昆虫世界的化学家之一，它们在体内合成有毒化合物，作为武器来抵御捕食者，使其能够在落叶和土壤等多个生态系统中生存。隐翅虫目前被认为是后生动物中最大的家族，大约有64,000种。

加州理工学院的研究人员近日对一种隐翅虫进行了深入研究。他们发现了两种不同的细胞类型是如何结合在一起，形成一个专门的腺体来制造和分泌这些防御性化合物的。这项成果于上周发表在《Cell》杂志上，对绘制整个动物王国中更复杂器官的进化具有重要意义。

通讯作者、加州理工学院的Joseph parker表示：“我们很感兴趣的是，隐翅虫是如何将腹部的这些腺体结构拼凑在一起的，因为这些结构由不同细胞类型组成。它们的背后体现了一个更大的难题：复杂的器官是如何进化的？器官也是由许多不同的细胞类型组成的，而这些细胞似乎能够无缝合作。这种合作在进化过程中如何出现，似乎难以解释。”

Joseph parker是一名昆虫学家和进化学家，多年以来一直在研究隐翅虫。隐翅虫的独特之处在于它们能够成功打入敌人内部，在许多不同的生态系统中为自己开辟一席之地，比如隐藏在行军蚁中。

面对凶悍的行军蚁，隐翅虫求生存的一种方法是，通过腹部的腺体释放出一种防御性化合物，从而触发疼痛感受器。隐翅虫的身体非常灵活，可将这些化合物直接涂抹在捕食者身上以保护自己。

此次研究的对象是一种名为褐甲虫（Dalotia coriaria）的隐翅虫，它腹部的背板腺（tergal gland）会释放出一种混合物，由两类化合物组成。第一类是苯醌类化合物，它们有剧毒，但本身是固体；第二类是溶剂，来源于脂肪酸。后者本身是良性的，但它们通过溶解苯醌来使其变成武器。

parker的团队在深入研究隐翅虫的背板腺后，发现了两种分工不同的细胞类型。“一种细胞类型产生苯醌，另一种细胞类型则负责产生溶剂，”parker说。“这两者共同赋予了隐翅虫的适应性功能。”

为了了解这些物质在每种细胞中如何产生，他们对隐翅虫的腹部开展单细胞转录组学分析，以发现新的酶通路。parker 指出：“我们能够发现每种细胞类型的生物合成通路，然后仔细研究这些通路在进化过程中是如何拼凑在一起的。”

值得注意的是，产生溶剂的细胞被发现是一种细胞混合体，包含了组成隐翅虫外骨骼的细胞和两种古老的代谢细胞类型。“隐翅虫从这些古老的代谢细胞类型中招募了一个主要的基因表达程序，并将其安装到一块角质层中，形成一个腺体，”parker说。

之后，研究人员将隐翅虫和蚂蚁放在一起，同场竞技。他们发现，当溶剂或苯醌通路被破坏时，隐翅虫就失去了防御能力。这表明，在自然选择下，这两种细胞类型都是隐翅虫的化学防御系统所必需的。他们还发现，由背板腺产生的化合物具有抗菌特性，进一步提高了该腺体的适应值。

作者认为背板腺是通过两种细胞类型的共同进化而产生的。“溶剂细胞为第二种类型的细胞创造了一个生态位，方便其产生固体苯醌。一种剧毒分泌物的出现大大提高了腺体的适应值，将两种细胞锁定在一个单元中，让它们合作。从本质上说，一个新的器官就此形成了，”parker说。

“纵观动物界的生命之树，你会看到复杂的多细胞器官，它们由许多不同类型的细胞组成，共同发挥作用。”他总结道。“比如我们的眼睛，它包含大约70种不同的细胞类型，这些细胞共同发挥作用，让视觉系统形成。你可以想象，我们在背板腺中发现的情景可能会经历很多轮，最终产生了相当复杂的多细胞复杂性。”

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Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system

DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.11.014