一枚绿色家蚕茧“记录”着一段漫长的基因演化历程。
基因复制是生物演化产生新遗传材料的重要途径。复制产生的新拷贝，有的因功能冗余而逐渐丢失，有的则通过功能分化被保留下来。但当多个高度相似的拷贝长期共存时，它们如何从功能重叠走向分化与协作，并最终参与新性状的形成？
近日，微图坊
代方银团队博士后鹿亚如等在 Nature Portfolio 旗下期刊 Communications Biology（生物学一区 Top 期刊）发表题为“Stepwise evolution of a duplicated sugar transporter cluster into a flavonoid uptake system for silkworm cocoon coloration”的研究论文。研究以家蚕绿色茧为切入点，整合系统发育、分子进化、分子对接、基因编辑和代谢组学等证据，解析了一个糖转运基因簇从复制、分化到功能整合的演化历程，揭示重复基因通过调控招募、谱系特异性扩张、功能分化与协同冗余，逐步形成丝腺黄酮摄取系统的演化路径，为理解基因复制如何驱动功能创新与表型演化提供了新的研究范例。
家蚕绿茧的主要色素成分是黄酮类化合物，但家蚕自身不能从头合成黄酮。绿茧中的黄酮根本上来源于桑叶，经摄取、代谢和运输后在丝腺中富集。代方银团队此前研究已揭示这一过程的重要遗传基础：控制绿色茧形成的关键遗传位点Gn附近，串联排列着7个高度相似的糖转运蛋白基因BmStrGn1–BmStrGn7，其中多个成员参与丝腺黄酮积累（Molecular Biology and Evolution, 2023）。
前期的这一发现也引出了新的演化问题：原本与糖类底物识别相关的转运蛋白，为何会参与黄酮吸收？为何这一功能牵涉的不只是一个基因，而是一组由复制产生的相似基因？这些重复拷贝又为何没有在演化中丢失，反而被长期保留，共同参与绿色蚕茧的形成？该研究沿着这一线索继续追问，将关注点从“哪些基因参与绿色茧形成”进一步推向“这些基因如何演化并整合为一个功能系统”。
跨物种比较发现，这7个基因并非同时产生。较早形成的成员广泛分布于鳞翅目，而BmStrGn3–BmStrGn6则源于家蚕谱系的特异性扩张。伴随基因簇的演化，其组织表达模式也呈现出逐步分化的趋势：基因簇外的大多数同源基因在丝腺中低表达或无明显富集，较早形成的基因簇成员已表现出丝腺表达，而后期谱系特异性扩张产生的BmStrGn3–BmStrGn6则进一步呈现高度的丝腺特异性。这些结果表明，基因复制提供了新的遗传材料，而调控模式的演化则推动重复基因逐步与丝腺这一特定组织及其生理功能建立联系。
在此基础上，研究团队进一步考察这些转运蛋白在底物识别特征上的分化，其关键线索指向黄酮的“糖基化”。研究发现，桑叶来源及家蚕体内代谢形成的黄酮以糖基化形式为主；与此同时，部分后期扩张的转运蛋白对糖基化黄酮表现出更有利的预测相互作用。这些结果表明，随着基因簇的演化，部分成员不仅在组织表达模式上发生分化，其预测底物偏好也逐渐与生理环境中占优势的糖基化黄酮相匹配，为理解糖转运蛋白如何逐步参与黄酮摄取提供了重要线索。
Gn位点相关糖转运蛋白基因簇的起源与分子演化
但这一演化过程并非简单地走向“一个基因对应一种功能”。研究团队进一步整合基因表达模式、基于大规模分子对接的底物识别相似性，以及单基因和多基因敲除后的黄酮代谢组变化，从多个层面解析基因簇成员间的功能关系。结果表明，不同成员既非功能完全独立，也并非简单的相互替代：它们在表达时期、预测底物偏好和体内功能贡献上呈现不同程度的分化，同时保留一定的功能重叠，形成了兼具分化与冗余的功能组织模式。
Gn位点相关糖转运蛋白基因簇的功能分化与系统鲁棒性
由此，一幅渐进式演化图景逐渐清晰：早期糖转运基因经复制与调控分化，逐步与丝腺功能建立联系；后续的谱系特异性扩张进一步强化丝腺表达，并推动部分成员的底物识别特征与糖基化黄酮相匹配；不同拷贝随后在功能分化的同时保留部分功能重叠，通过协同与冗余共同维持丝腺黄酮积累，使系统能够缓冲单个基因功能缺失带来的扰动，最终形成具有一定鲁棒性（Robustness）的黄酮摄取系统。
Gn位点相关糖转运蛋白基因簇的渐进式演化路径
该研究表明，演化创新并不一定依赖单个新基因骤然获得全新功能。重复基因也可以通过调控招募、功能分化与部分冗余的渐进积累，从遗传冗余逐步走向功能整合，并最终参与表型创新。
西南大学微图坊
为第一完成单位，代方银教授为通讯作者，博士后鹿亚如为第一作者。研究获得国家自然科学基金（32330102、32402836）、重庆市自然科学基金（cstc202ljcyi-cxttX0005）及宜宾市双城合作协议科研项目（XNDX2022020015）资助。
全文链接：Stepwise evolution of a duplicated sugar transporter cluster into a flavonoid uptake system for silkworm cocoon coloration | Communications Biology
供稿：鹿亚如 审核：李田、代方银