植物的基因，昆虫偷来“当枪使”

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Heidi Ledford，头图来自：视觉中国

有这样一种农业害虫，它们的成功部分要归功于数百万年前从其植物宿主中盗取的基因。

这一发现发表在《细胞》^[1]上，是已知的第一个自然基因从植物转移到昆虫身上的例子。它还解释了烟粉虱（Bemisia tabaci）如此善于吞食作物的一个原因：它从植物中偷来的基因使其能够中和一些植物为抵御昆虫而产生的毒素。

初期研究表明，抑制这种基因会使烟粉虱容易受到毒素的侵害，从而为防治这种害虫提供了一条潜在的途径。芝加哥大学研究植物-害虫互作的Andrew Gloss表示：“这揭露了一种机制，通过这种机制，我们可以使植物再占到上风。这是个明显的例子，表明研究演化如何能为作物保护等应用提供新思路。”

微小的烟粉虱和蚜虫的关系比和苍蝇更近，它们在全球范围内造成了农业破坏。烟粉虱是最具破坏性的植物害虫之一：它们吸食数百种植物的含糖汁液，吸食的同时排出一种叫做蜜露的粘性甜物质——后者会成为霉菌的滋生地。烟粉虱还是100多种致病植物病毒的载体。

偷来的基因

对于某些种类的烟粉虱而言，其掠夺能力可能要归功于其他生物体的基因，这一点并不完全出人意料，因为基因偷窃在植物及其害虫之间的军备竞赛中很常见。数百万年来，植物和昆虫都大量借用微生物基因组，有时利用新获得的基因形成防御性或攻击性策略。

一些昆虫，如咖啡果小蠹（Hypothenemus hampei），通过掠夺微生物基因，从难以消化的植物细胞壁中提取更多的营养^[2]，而小麦的野生近亲盗取了一种真菌基因来对抗一种叫做赤霉病的真菌病^[3]。但是在此之前人们不知道植物和昆虫会互相偷窃基因。

北京中国农科院的昆虫学家张友军及其同事在搜索烟粉虱基因组，从中寻找盗取基因时，发现了一个似乎不在其他昆虫或微生物中演化，而是在植物中演化的基因。

进一步的研究表明，该基因可以将一个化学基团转移到一种被称为酚苷的防御性化合物上。许多植物（包括西红柿）通过制造这种化合物来抵御害虫。但是，烟粉虱基因引起的修饰使该化合物变得无害了。

为了检验这一假设，研究小组改造了番茄，使之产生能够关闭烟粉虱基因表达的双链RNA分子。后来所有以这些被改造的番茄为食的烟粉虱几乎都死了。

德国耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所的化学生态学家Jonathan Gershenzon表示，这一结果提示了一种靶向烟粉虱的新方法。“有很大的机会实现特异性，”他说，“你可以防治烟粉虱，但不伤及有益的昆虫，如传粉者。”

植物与害虫之战

研究的共同作者、瑞士纳沙泰尔大学的化学生态学家Ted Turlings说，物种之间的基因转移很难证明。为此，张友军、Turlings及其同事分析了植物中类似基因的序列，确定了烟粉虱的基因是它们演化上的近亲。研究小组还做了分析，表明该基因已融入烟粉虱基因组中，而非因为植物DNA样本污染。

马克斯·普朗克化学生态研究所的分子昆虫学家Yannick Pauchet说，这一结果令人吃惊，但有说服力。“根据他们提供的数据，水平基因转移是最简约的解释。”他说。

但是，尚不清楚烟粉虱是如何成功偷得植物基因的。Turlings说，一种可能性是，一种病毒充当了中间媒介，将植物的遗传物质插入烟粉虱基因组中。

Gloss表示，随着研究人员对更多的基因组进行测序，他们有可能发现更多的植物和动物之间基因转移的例子。

他说：“昆虫从植物盗走基因，只是我们还没发现的武器库最后一角。在植物和害虫、和病原体的战斗中，整个生命之树到处都有基因被利用。”

参考文献：

1. Xia, J. et al. Cell https://10.1016/j.cell.2021.02.014 (2021).

2. Acuña, R. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 4197–4202 (2012).

3. Wang, H. et al. Science 368, eaba5435 (2020).

原文以First known gene transfer from plant to insect identified为标题，发表在2021年3月25日的《自然》的新闻版块上 © nature doi: 10.1038/d41586-021-00782-w

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Heidi Ledford