1月14日，我校生命科学学院李枢强团队联合中国科学院、北京大学在《Science Advances》上发表题为《An ancient genome duplication event drives the development and evolution of spinnerets in spiders》的研究论文，揭秘蜘蛛纺器起源。

蜘蛛丝是一种性能优异的天然蛋白质纤维，具备高强度、高延展性和高韧性等力学优势，以及质量轻、耐低温和集水性等特点，在生物医学工程及国防与航空航天等领域具有重要应用价值。当前，人工仿制蜘蛛丝的研究主要围绕“蛛丝蛋白获取—纺丝成型—性能调控优化”技术链条展开，典型路径是利用合成生物学手段制备蛛丝蛋白并结合纺丝工艺进一步成形制造。随着3D打印等新兴技术发展，体外重建蜘蛛纺丝器官结构与功能以实现蛛丝生产正成为蜘蛛丝仿生制造研究中的一个新兴探索方向。

本研究利用多组学技术以及系统全面的验证手段，发现了abdominal-A（abd-A）基因的两个拷贝共同促进蜘蛛纺器的形成，并进一步招募肢体建造基因dachshund （dac-1）参与纺器的精细构建。该研究不仅揭示了蜘蛛纺器这一关键适应性结构的发育与演化机制，也为后续基于纺器生物学原理的仿生材料构建提供了重要的理论依据。

研究团队首先获取了蜘蛛的古老姐妹群鞭蝎，以及两个早期蜘蛛分支类群的染色体级别基因组。通过宏观共线性分析，构建了蛛形动物基因组的演化框架。结果显示，这些物种的基因组演化相对保守，仍保留可追溯至石炭纪的基因组复制痕迹，为理解蜘蛛基因组的早期重组提供了关键线索。在此基础上，研究聚焦于全基因组复制事件对纺器演化的具体影响。团队成功建立了蜘蛛胚胎CRISPR-Cas9基因编辑系统，以此深入探究重复基因对的功能。研究发现，abd-A-1与abd-A-2保留了部分原始功能，且在演化中经历了亚功能化，在蜘蛛纺器的发育与多样化中发挥关键作用。这种遗传模式，可能为纺器这一新颖结构的出现奠定了基础。

为进一步解析纺器形成的基因调控网络，研究对蜘蛛胚胎在纺器出现前后的关键发育阶段进行了单细胞转录组测序。通过伪时序分析与差异表达基因筛选，团队识别出一批在纺器形成中可能起核心作用的候选基因，并为“纺器起源于足”的假说提供了数据支持。随后的基因表达验证、RNA干扰及CRISPR/Cas9功能实验表明，肢体建造基因dac-1的功能在腹部新区域被重新部署，进一步支持该假说的可靠性。研究团队进一步运用单细胞加权基因共表达网络分析方法，构建与纺器发育相关的基因共表达模块。分析发现，模块21与纺器发育显著相关，其中包含参与纺器形成的abd-A-1、abd-A-2和dac-1。通过RNA干扰敲低abd-A基因表达后，第四与第五腹节纺器原基中dac-1的表达明显下降，而其在足的表达未受影响。这一结果说明，dac-1等肢体建造基因被招募至abd-A基因调控网络中，在发育早期共同指导纺器的精细化构建。

中国科学院动物研究所李逢源博士、博士生杨晗、博士生张一名为共同第一作者，北京大学张蔚教授为共同通讯作者，我校李枢强教授为最后通讯作者。生科院教师靳鹏宇、林业杰和研究生郭馨悦、李芸芸为该研究做出贡献。该研究得到国家重点研发计划、科技基础资源调查以及国家自然科学基金的支持。

蜘蛛纺器形成的遗传机制和进化历史

原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2173