蜘蛛是自然界中演化最为成功的类群之一，现存物种超过五万种。其成功的关键在于腹部的纺器——这一器官能够挤出并精准操控蛛丝。借助纺器，蜘蛛不仅能编织蛛网捕食猎物还可借助蛛丝飞航扩散，极大拓展了生存空间。纺器所挤出的蛛丝，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。尽管这些特性使其成为极具潜力的仿生材料，但蛛丝的人工规模化生产仍面临重大挑战。我们主张，要实现这类材料的仿生设计与制备，必须深入理解其天然生产系统。

2026年1月14日，中国科学院动物研究所、北京大学与安徽师范大学的研究团队在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。该研究利用多组学技术以及系统全面的验证手段，发现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在演化中经历了亚功能化，各自保留了原始功能的部分方面；同时，该基因对还通过新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。

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。

文章连接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2173