《Toxicon》：Ontogenetic co-option of myotoxin expression variation in island Eastern Diamondback Rattlesnake (Crotalus adamanteus) venoms
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本研究分析美国佛罗里达州西海岸三个年轻岛屿的东方响尾蛇（Crotalus adamanteus）19个体蛇毒蛋白表达，发现 ontogenetic（年龄阶段）和 myotoxin（肌肉毒素）表达模式存在显著差异。与大陆种群相比，Caladesi岛幼蛇myotoxin表达量远高于成蛇，且myotoxin被整合到年龄阶段调控网络中，表明快速进化利用了现有遗传变异和表达轴。
埃拉·G·盖杜阿尔（Ella G. Guedouar）|塞缪尔·R·赫斯特（Samuel R. Hirst）|尚塔尔·S·索利斯（Shantal S. Solis）|戴尔·查普特（Dale Chaput）|马克·J·马格雷斯（Mark J. Margres）
美国佛罗里达大学南方分校综合生物学系，地址：12037 USF Beard Drive, Tampa, 33620, FL, USA
摘要
快速的适应性进化通常源于种群内部的遗传变异，因为新的有益突变非常罕见，且需要很长时间才能固定下来。东部菱斑响尾蛇（Crotalus adamanteus）是研究毒液进化的模式物种，它们经常栖息在岛屿上，为研究导致快速毒液进化的遗传变异类型提供了有用的模型。在C. adamanteus中，毒液表达变异的主要轴是发育阶段（即成体与幼体）和肌毒素（crotamine）表达的区域差异；对于后者，由于基因拷贝数的不同，肌毒素的表达通常随纬度增加而增加，与年龄无关。然而，先前的研究发现，在佛罗里达州的卡拉德西岛（Caladesi Island），幼体和成体的C. adamanteus表现出与物种分布范围内观察到的不同的表达模式；在这里，幼体表达了高水平的肌毒素，而成年个体中则几乎不含这种毒素。为了确定这种变异是反映了现有变异轴的整合（即肌毒素被纳入发育调控网络），还是岛屿种群中肌毒素表达的固有多态性，我们分析了来自三个年轻岛屿（年龄小于5000年）的19条C. adamanteus的毒液蛋白表达情况，包括佛罗里达州西海岸的卡拉德西岛。我们在所有三个岛屿上都发现了明显的毒液表达发育差异，包括肌毒素表达随年龄下降的趋势。在C. adamanteus中，尚未观察到肌毒素表达被整合到发育过程中的情况。通过将肌毒素整合到发育调控网络中，这些岛屿种群可能实现了快速适应。总体而言，这些岛屿上的快速毒液进化似乎不仅依赖于现有的遗传变异，还依赖于先前受到选择的较大遗传变异轴。
引言
新环境中殖民的种群通常会经历强烈且新的选择压力，从而引发快速适应，这通常是通过现有的遗传变异实现的（Barrett和Schluter，2008年；Kersten等人，2023年）。由于现有的有益等位基因可以立即被选择并迅速在种群中固定，因此软性选择清除（soft selective sweeps）比由新突变引起的硬性选择清除（hard sweeps）发生得更快（Innan和Kim，2004年）。由于这些等位基因已经存在，它们往往有助于形成之前受到选择的表型，这意味着当类似的选择压力再次出现时，这些特征能够重新出现并迅速传播（Rieseberg等人，2003年）。由于人类世期间物种更频繁地遇到环境变化和新选择压力，理解促进快速适应的机制对于保护工作变得越来越重要（Franks等人，2007年）。
蛇毒液是研究对新环境快速适应进化的模型系统。蛇毒液是一种多基因性状，由多种蛋白质毒素组成（Daltry等人，1996年；Mackessy等人，2006年）。根据其进食和防御功能，毒液受到强烈的定向选择、多样化选择和/或平衡选择（Daltry等人，1996年；Margres等人，2017b年；Holding等人，2016b年；Mackessy等人，2018年；Schield等人，2022年）。研究表明，毒液在不同物种（Casewell等人，2013年；Casewell等人，2020年）、同一物种的不同种群（Rokyta等人，2015b年；Holding等人，2016b年；Barlow等人，2009年；Gibbs等人，2009年）以及同一物种的不同个体在其生命周期内（Mackessy，1988年；Wray等人，2015年；Mackessy等人，2018年；Hirst等人，2024年）之间存在差异。东部菱斑响尾蛇（Crotalus adamanteus）是研究最全面的毒蛇物种之一，其基因组已在染色体水平上进行了组装，对其范围内的毒液表达变异进行了详细分析，并确定了潜在的调控元件和不同种群之间的饮食差异（Margres等人，2014年；Margres等人，2015b年；Margres等人，2015a年；Margres等人，2016年；Margres等人，2017b年；Rokyta等人，2011年；Rokyta等人，2012年；Rokyta等人，2015a年；Rokyta等人，2017年；Hogan等人，2024年；Nachtigall等人，2025年）。在C. adamanteus中，毒液变异的两个主要轴是发育阶段（即生命周期）和肌毒素表达（Margres等人，2017a年）。
在C. adamanteus中，毒素表达的发育阶段变化代表了毒液变异的主要轴，反映了生命周期不同阶段的饮食变化（Margres等人，2015b年）。随着蛇的成长，关键毒液成分的表达逐渐调整，以适应发育和生态需求，例如猎物大小和种类的变化（Margres等人，2015a年；Schonour等人，2020年）。例如，幼体的C. adamanteus毒液对小鼠的毒性比成体更高，这表明随着猎物从小型小鼠和棉鼠转变为成年后的松鼠和兔子，毒素的特异性也随之改变（Rokyta等人，2017年；Means，2017年；Schonour等人，2020年）。幼体表达大多数成体偏好的毒素，尽管在成体中表达量增加，从而导致更复杂的毒液表型（Rokyta等人，2017年；Margres等人，2015b年；Wray等人，2015年；Hogan等人，2024年）。第二个主要的变异轴是肌毒素的表达（Margres等人，2017a年）。肌毒素（crotamine）通常是苏万尼河（Suwannee River）以北种群中最丰富的毒液成分，而在南部种群中则几乎完全不存在，无论生命阶段如何（Margres等人，2017a年；Margres等人，2019年）。肌毒素是一种小分子碱性蛋白，通过分解肌肉和麻痹后肢来帮助捕猎（Peigneur等人，2012年；de Oliveira等人，2003年）。肌毒素表达的地理差异是由于拷贝数变化造成的，可能代表了当地对不同猎物群落的适应（Margres等人，2015b年；Margres等人，2016年；Margres等人，2017b年）。这些毒液变异模式强调了生态压力（如猎物可用性和生命阶段）如何沿着可预测的轴塑造毒液表型。当种群面临类似的选择压力时，这些轴可能促进快速适应，尤其是在新环境中。
Crotalus adamanteus在岛屿上很常见，那里新的生态条件（如猎物组成、竞争和/或非生物因素）可以驱动快速适应（Millien，2006年；Blondel，2000年；Hirst等人，2025年）。例如，之前的研究表明，在不到5000年的时间里，C. adamanteus在岛屿种群中的毒液适应完全是通过调控变化而非编码序列进化实现的（Margres等人，2017b年）。然而，这些调控变化是否遵循已知的表达变异轴（如发育阶段模式或范围内的地理差异）尚不清楚。
为了了解岛屿殖民后毒液表达如何快速进化，并确定这种快速进化是否偏向于现有的变异轴，我们研究了佛罗里达州中部海湾沿岸最近殖民的一系列屏障岛屿。该群岛包括Anclote Key岛、Caladesi岛和Honeymoon岛（图1），年龄约为3,000–5,000年。Crotalus adamanteus可能在植被建立和地貌稳定后早在2500年前就殖民了这些岛屿，尽管确切的引入时间仍不确定（Kemble，2012年；Davis Jr.，1994年；Davis和Elko，2003年）。在对该物种范围的研究中，Rokyta等人（2017年）报告了从Caladesi岛（群岛中最南端的岛屿）采集的成体和幼体的毒素表达谱型。在这里，幼体的肌毒素转录本数量是成体的5倍以上（见Rokyta等人，2017年的表3），这与之前的研究结果相反，后者表明肌毒素表达在生命周期各阶段通常是稳定的，并且在包括Caladesi岛在内的南部种群中仅弱表达（Margres等人，2017a年）。鉴于样本量有限（n = 2）且仅来自该地区的一个岛屿（Rokyta等人，2017年），目前尚不清楚这些观察结果是否反映了多态性（即岛屿种群中个体间的肌毒素存在差异，无论生命阶段如何），或者是否反映了肌毒素表达被纳入发育调控网络，在这种网络中肌毒素表达受到发育调控。在这项研究中，我们探讨了C. adamanteus》如何在岛屿殖民后利用现有的表达变异轴实现快速适应。
采样
我们在美国佛罗里达州西海岸的Anclote Key岛（n = 3条）、Caladesi岛（n = 11条）和Honeymoon岛（n = 5条）收集了19条C. adamanteus（图1）。收集了毒液并进行了冻干处理，并记录了每条蛇的吻端至肛门长度（SVL），然后在原捕获地点释放它们。我们将SVL小于或等于90.0厘米的蛇归类为幼体，90.1–109.9厘米的归类为亚成体，SVL大于或等于110.0厘米的归类为成体（Margres等人，2015b年；Waldron等人，2013年），以确定毒液……
生命周期和种群间的毒液表达差异
我们比较了来自三个岛屿的19条C. adamanteus的毒液蛋白质组学表达数据，发现SVL（p = 0.001）、种群（p = 0.224）和两者之间的交互作用（p = 0.106）存在显著差异。PCoA散点图显示了毒液表达的明显发育阶段差异，尽管种群间的差异不太明显（图2A）。SVL与PCoA1回归分析显示了毒液表达的显著且连续的发育阶段变化
讨论
C. adamanteus的岛屿种群在毒液表达方面表现出明显且显著的发育阶段变异，包括肌毒素表达，这与进化过程中的整合现象一致，即现有特征或发育程序被适应于新的功能或环境（Gould和Vrba，1982年）。我们的发现表明，肌毒素之前仅在C. adamanteus中作为地理变异的毒素而存在（Margres等人，2017a年），现在被整合到了发育调控中
CRediT作者贡献声明
埃拉·G·盖杜阿尔（Ella G. Guedouar）：撰写——初稿、研究、正式分析。塞缪尔·R·赫斯特（Samuel R. Hirst）：撰写——审阅与编辑、研究。尚塔尔·S·索利斯（Shantal S. Solis）：研究。戴尔·查普特（Dale Chaput）：研究。马克·J·马格雷斯（Mark J. Margres）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、概念化。
伦理声明
样本的收集得到了佛罗里达鱼类和野生动物保护委员会科学采集许可证LSSC-23-00332和佛罗里达州环境保护部/佛罗里达州公园服务科学采集许可证10182414的批准。动物处理程序得到了佛罗里达大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）根据协议IS000012403的批准。
资助
该项目得到了佛罗里达大学的支持（资助给M.J.M.）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢Preston McDonald、Cameron Vanhorn、Dylan Gallinson、Ethan Weinstock、Rhet Rautsaw、Lauren Trumbull、Grant McCargar、Ali Mulla、Gabriel Mochales Ria?o、Kenneth P. Wray、Nathanael Herrera、Pierson Hill、Flavio Morrissiey、Joe Pfaller和Jacob Loyacano在野外工作的帮助。此外，我们还要感谢Laurent Calcul和佛罗里达大学的CPAS核心设施在数据生成方面的协助。同时，我们也感谢Dylan Gallinson的帮助
