《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Evolution of sensory systems underlies the emergence of predatory feeding behaviors in nematodes
编辑推荐：
本研究揭示了线虫捕食行为演化的关键机制。作者发现，与以微生物为食的秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）不同，捕食性线虫Pristionchus pacificus通过共同选择（co-option）机械感觉和化学感觉系统，演化出复杂的捕食行为。研究鉴定出Ppa-mec-6是捕食行为所必需的机械感觉模块的关键组分，并证明这些感觉通路在IL2神经元中整合，揭示了行为创新的神经环路基础。
引言：感觉系统演化与行为创新
感觉系统是生物体获取环境信息的主要机制，其演化修饰可深刻影响物种的进化轨迹。在线虫中，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）和太平洋小杆线虫（Pristionchus pacificus）因其遗传工具丰富和取食生态差异，成为研究感觉感知进化适应的有力系统。其中，以微生物为食的C. elegans与兼有捕食性的P. pacificus形成鲜明对比。P. pacificus具有口型可塑性，可发育为狭窄口（stenostomatous, st）或宽阔口（eurystomatous, eu）形态，后者具有额外的齿状结构，支持其对其他线虫的捕食。然而，支撑这种捕食行为的感觉系统演化机制尚不明确。
结果
机械感觉参与猎物检测
P. pacificus是一种贪婪的捕食者，其捕食行为需要与猎物直接接触。研究表明，P. pacificus的机械感觉系统在猎物检测中具有重要作用。研究人员通过CRISPR/Cas9技术突变Ppa-mec-3基因（一个在机械感觉神经元发育和功能中起关键作用的转录因子），发现突变体对剧烈触摸、轻柔触摸和鼻触等机械感觉刺激的反应显著减弱，类似于在C. elegans中的表现。更重要的是，在尸体测定（corpse assay）中，Ppa-mec-3突变体的捕食能力显著降低，表明机械感觉系统在P. pacificus中获得了支持猎物检测的新功能。
机械感觉基因在进化中的多样化
对8个线虫物种的机械感觉基因家族进行生物信息学分析发现，与自由生活的线虫相比，寄生线虫的机械转导通道编码基因数量通常较少。在自由生活的C. elegans和P. pacificus之间，基因家族组成总体相似，但也存在差异，例如C. elegans特有的四个trpl基因在P. pacificus中缺失，而P. pacificus的DEG/ENaC基因家族中deg-1和egas基因存在显著扩张。
Ppa-mec-6是高效捕食所必需的
研究人员通过候选基因方法，利用CRISPR/Cas9靶向了26个推测的机械感觉基因，并评估其在三种触摸测定和捕食测定中的功能。结果显示，Ppa-mec-4、Ppa-mec-10和Ppa-mec-6突变体表现出最强的机械感觉缺陷，类似于Ppa-mec-3突变体。然而，只有Ppa-mec-6和Ppa-mec-3突变体表现出捕食能力缺陷，而Ppa-mec-4和Ppa-mec-10突变体的捕食能力正常。这表明Ppa-mec-6可能作为一个辅助蛋白，与未知的机械感觉通道组分相互作用，形成一个与捕食相关的特定机械感觉模块。
机械感觉与其他捕食相关性状的关系
捕食行为依赖于eu口型的形成和强大的亲缘识别（kin-recognition）系统。研究发现，所有测试的机械感觉突变体均具有正常的口型比例，且Ppa-mec-3和Ppa-mec-6突变体的亲缘识别能力完好，表明机械感觉缺陷特异性地影响猎物检测，而不影响其他捕食相关性状。
化学感觉与机械感觉协同影响猎物检测
先前研究表明，纤毛缺陷突变体Ppa-daf-19（主纤毛发生转录因子）具有化学感觉缺陷和捕食缺陷。本研究发现，Ppa-daf-19突变体对细菌食物源的吸引和对辛醇的厌恶反应存在缺陷，但其机械感觉正常。相反，Ppa-mec-3和Ppa-mec-6突变体化学感觉正常但机械感觉缺陷。重要的是，Ppa-mec-6; Ppa-daf-19双突变体或Ppa-mec-3; Ppa-mec-6; Ppa-daf-19三突变体的捕食缺陷比单突变体更严重，表明化学感觉和机械感觉在猎物检测中起协同作用。
行为追踪与状态预测
利用自动行为追踪和机器学习模型，研究人员将P. pacificus的行为划分为六个状态，包括三个捕食相关状态（捕食搜索、捕食撕咬、捕食取食）和三个非捕食状态。分析发现，在Ppa-mec-6、Ppa-mec-3和Ppa-daf-19单突变体中，“捕食搜索”状态的占据时间增加，这可能是一种补偿机制。而在缺失两种感觉模态的双突变体中，这种增加消失，取而代之的是非捕食性“搜索”和“漫游”状态的增加。此外，Ppa-daf-19突变体中“捕食撕咬”状态减少，而机械感觉突变体中该状态正常，提示两种感觉输入在捕食行为的不同方面具有特定功能。
IL2神经元是猎物检测的感觉枢纽
通过报告基因表达分析，发现Ppa-mec-6和主纤毛发生调控因子Ppa-daf-19在P. pacificus的IL2神经元中共表达。这六个神经元的前端突起通过暴露的感觉末端投射到外部环境，是猎物接触的第一线。此外，Ppa-mec-6也在FLP等头部神经元中表达。这些IL2神经元被证明是整合机械和化学感觉输入的关键位点。
抑制Ppa-mec-6表达神经元的功能会破坏机械感觉和捕食
利用组胺门控氯离子通道（HisCl）特异性抑制Ppa-mec-6表达神经元（包括IL2和FLP神经元）后，线虫的鼻触反应和捕食能力显著降低，行为状态分析显示所有三种捕食行为的时间均减少。这表明Ppa-mec-6表达神经元对于高效的猎物检测是必需的。
讨论
本研究揭示了感觉系统演化在行为创新中的核心作用。P. pacificus通过共同选择和整合机械感觉与化学感觉模态，演化出复杂的捕食行为。研究发现了一个由Ppa-mec-6介导的、与捕食相关的特定机械感觉模块，该模块与化学感觉协同工作，且这些感觉通路在IL2神经元中整合。这种多模态整合和神经环路的重新配置，使得相对简单的神经系统也能产生复杂的行为多样性。研究结果为了解感觉感知和进化适应如何产生新的行为特征提供了重要见解。
