纤毛虫是原生动物中高度分化、细胞器结构复杂的一类生物。为了应对天敌和完成捕食活动，纤毛虫进化出了特殊的射出体结构。与为人熟知的草履虫、四膜虫通过防御型射出体抵御潜在捕食者袭击不同，掠食性纤毛虫借助引人关注的攻击性射出体毒丝胞（toxicyst）完成对猎物的精准捕获。在与猎物接近时，掠食性纤毛虫会迅速释放口端附近的毒丝胞，从而麻痹甚至直接分解猎物。
图1 正在捕食四膜虫的长颈虫（Dileptus）
中国科学院大学苗苗教授团队于2024年5月7日在国际期刊BMC Biology杂志发表题为Genomic insights into the cellular specialization of predation in raptorial protists的研究论文。该研究通过对钩刺亚纲（Haptoria）纤毛虫的行为观察和亚细胞结构的研究，确定其捕食策略；通过单细胞基因组测序技术，完成了对具有毒丝胞的钩刺亚纲纤毛虫的基因组测序与组装，并确定与毒丝胞的形成和排出相关的基因家族。这项研究首次揭示了掠食性纤毛虫借助毒丝胞辅助完成捕食活动的适应性进化机制，为研究掠食性纤毛虫毒性机制奠定支撑。
图2 掠食性纤毛虫的毒丝胞结构
与近缘纤毛虫的比较基因组分析发现，钩刺亚纲纤毛虫内与水解酶和膜转运蛋白相关的基因家族具有更多的基因重复，两类基因分别在毒丝胞的产生和排出过程中起着至关重要的作用。与共生在反刍动物瘤胃内的毛口亚纲（Trichostomatia）纤毛虫相比，钩刺亚纲纤毛虫与膜转运蛋白和细胞毒素相关的基因具有更多表达，基因富集分析结果同样符合该结论。聚酮合成酶（PKS）和亮氨基酸氧化酶（LAAO）被确定为钩刺纤毛虫体内潜在的毒性基因家族，这些基因在钩刺亚纲纤毛虫中经历了广泛的基因复制事件。聚酮合成酶基因在甲藻（dinoflagellates）中被广泛发现，是甲藻毒素的主要来源；亮氨基酸氧化酶广泛分布在海兔和蝮蛇等动物的毒腺中，有研究发现黄斑蓝子鱼（Siganus oramin）血清中提取的亮氨基酸氧化酶会导致寄生纤毛虫多子小瓜虫(Ichthyophthirius multifiliis)的溶解和死亡。
中国科学院大学李在涵博士研究生为论文第一作者，中国科学院大学苗苗教授为通讯作者。中国科学院动物研究所赵方庆研究员和山东大学陈晓教授为论文做出了重要贡献。该研究获得了国家自然科学基金委和中国科学院的经费支持，并得到中国海洋大学原生动物实验室的帮助。
论文链接：
https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-024-01904-2
