生命演化史上一些最深刻的变革，往往伴随着生活方式或生物组织方式的根本转变，例如从独居到社会性生活，从一种栖息环境到另一种栖息环境，以及全新器官与功能的出现。这些重大演化转变背后有着怎样的基因组与发育机制？基因调控网络如何被重新构建，从而产生新的生物组织层级和新的身体构型？这些是本研究方向关注的核心问题。

从独居生活到超个体的转变，是生命史上的重大演化转变之一，其深远影响堪比多细胞生物的起源。在这两类转变中，原本独立的单元都放弃了自主繁殖，成为更高层级个体的组成部分。在多细胞生物中，这些单元是身体里的细胞；在社会性昆虫中，则是群体中的不同品级。以蚂蚁为例，蚁群并不只是一群相互合作的个体。蚁后、工蚁和兵蚁分别扮演着同一个超个体的生殖品系与体细胞。正如多细胞生物由同一套基因组分化出不同的细胞类型，蚁群也由同一套基因组发育出不同的品级。这一转变如何发生、为何发生，是演化生物学的核心问题之一。它包含两个层面：放弃自身繁殖的行为，为何能够在自然选择中得以保留和延续？同一套基因组又如何具备根据品级命运发育出截然不同表型的能力？

演化与发育两条研究路线为回答这些问题提供了相互补充的视角。在演化层面，覆盖整个蚂蚁生命之树的比较基因组学分析揭示了一系列变化：祖先类群从独居走向超个体的过程中，基因组结构如何被重塑，哪些基因和调控网络发生了改变，这些改变又以怎样的先后顺序出现。在发育层面，单细胞转录组和基因表达谱分析表明，共享同一基因组的个体在幼虫发育过程中，经由逐步渠化的基因表达模式走向蚁后或工蚁的命运。此外，神经重塑与神经调质调控程序决定着成年工蚁之间的劳动分工，也调控着未交配蚁后向具备繁殖能力的建巢蚁后的转变。一个核心的未解问题是：每当超个体性独立起源时，品级决定的调控逻辑是否都被重新构建了一次？抑或不同类群殊途同归的解决方案，揭示了基因组在编码这一层级社会复杂性时所受的深层约束？

生活方式的重大转变往往需要新的器官和功能，无论是在不同栖息环境之间迁移、改变食性、飞向天空，还是调整繁殖策略。每一次这样的转变，都是一个演化发育生物学问题。形态上的新性状从何而来？当一个谱系演化出新结构时，它是从头构建，还是改造了原本承担其他功能的祖先发育程序？当不同谱系面临相同的功能挑战时，它们是否会趋同于相同的遗传解决方案？

比较基因组学、单细胞转录组学、功能基因组学与大语言模型等手段的结合，使我们得以追踪经历重大转变的谱系中基因组如何被重新调控，进而实现功能创新。一个反复出现的发现是：构建新结构所需的发育"原材料"，往往在转变发生之前就已存在。新结构的关键遗传程序常常可以追溯到并不需要它们的祖先，当机会出现时，这些程序是被招募（co-option）而来，而非从无到有地创造出来的。与此同时，调控创新似乎是形态演化的普遍驱动力。谱系特异的保守调控元件与谱系特异性状的演化密切相关，这表明改变已有基因在何时、何处表达，其重要性至少不亚于新基因的产生。单细胞图谱让这些变化可以在细胞类型的分辨率上得到追踪，而基于蛋白质序列训练的大语言模型，则为预测序列变异如何转化为功能改变提供了新的途径。仍待解答的问题是：祖先程序的再利用究竟是普遍规律还是特例？又是什么决定了一次转变是通过招募已有程序，还是通过真正的创新来实现？