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顧卓雅：小蟲竊取植物基因，獲得抗毒超能力

點擊：3854  作者： 顧卓雅    來源：知識分子 微信號  發布時間:2021-04-16 10:57:43

  

圖源：Noah K. Whiteman, Rebecca L. Tarnopol, 2021, Cell 184: 1657-1658

 

導讀 ：一種小蟲，在幾千萬年前竊取了植物的基因，獲得了對抗植物生化武器的解藥。今天，科學家們將這個秘密公之于眾。

 

當你賴以為生的食物有毒，怎么辦？是選擇放棄還是奪得解藥？

 

數千萬年前，面對有毒植物，煙粉虱（Bemisia tabaci）成功竊取了植物的“解藥配方”。自此，它們不懼植物毒素，大吃四方，食譜擴展到全球600多種不同植物，成為了植物最討厭昆蟲之一。

 

2021年4月1日，在《細胞》（Cell）的封面文章中，中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊揭示了煙粉虱通過竊取本屬于植物的解毒基因，獲得對植物毒素的抗性，這是科學家首次發現動物通過基因水平轉移，竊取并使用植物的基因。

 

1

 

植物昆蟲攻防戰

 

故事還要追溯到4億年前，植物被食草昆蟲啃食的一刻。

 

為了防止被吃，植物想盡辦法防御，進化出了堅硬的樹皮和蠟質的角質層，以及或堅硬或密集的刺。但如果食草昆蟲突破了這些屏障，植物該怎么辦呢？

 

對此，植物進化出了次生代謝產物來進行生化防御，其中最豐富的一類就是酚苷，可以影響食草昆蟲的生長、發育和行為。但酚苷也會讓植物自己中毒，好在植物自己配有解毒劑——酚苷丙二酰轉移酶，這個酶可以將丙二酰基團連接到酚苷上，改變酚苷的結構，解除毒性。這樣，植物就可以把酚苷安全儲存在自己身體里了。

 

這本是一個非常巧妙的方法，可百密一疏，最重要的解毒劑配方，編碼酚苷丙二酰轉移酶的基因BtPMaT1，卻被蚜蟲的親戚，體長不過1毫米的小蟲——煙粉虱，偷走放進了自己的基因組中，世代傳承。

 

研究者發現，煙粉虱不僅偷走了植物的解毒劑配方，還熟練掌握了制作工藝并充分使用。因此，當植物再次利用特定酚苷來對抗蟲害時，煙粉虱就能用上植物的解藥化解酚苷，完全不會受到任何影響。

 

2

 

如何確認基因是“偷”的？

 

煙粉虱這種跨物種竊取基因的行為，在生物學上稱為基因水平轉移。

 

基因水平轉移看似有悖父母遺傳給后代的常理，卻并不稀奇。在微生物界，竊取基因就是常規操作，這也是為什么一旦一種細菌產生了抗藥基因，很快就會傳播到其他的細菌中。

 

而植物或動物偷到微生物基因的案例相對少一些，因為整個過程復雜很多，外部的基因要進入細胞核，整合到基因組中，并產生相應的功能，還得進入生殖細胞才能傳承。

 

即便如此，也有不少成功者，比如咖啡果小蠹（Hypothenemus hampei），就偷到了細菌的HhMAN1基因，獲得了從難以消化的植物細胞壁提取更多營養的能力。

 

植物與動物間的基因水平轉移就更少了。甚至直到這篇論文之前，人們從未觀察到過。

 

一方面，植物與動物間的基因傳遞更為復雜；另一方面，要證明基因水平轉移也著實不易，因為能夠發生基因水平轉移的物種，必然存在非常密切的關系，實驗中要將兩者的遺傳物質徹底區分非常困難。

 

對于煙粉虱來說，研究者必須提供兩個證據：一是證明基因確實是從植物中來，另一點要證明不是實驗中植物寄主的污染。

 

在最新的研究中，研究人員觀察了煙粉虱偷到的解毒劑配方——BtPMaT1的序列，發現確實跟植物基因組中的原版配方非常接近，而在其他節肢動物基因組中卻完全沒有。進一步的進化分析也確證了這確實是來源于植物的配方。

 

為了證明檢測到的序列不是源于污染，研究人員觀察了煙粉虱BtPMaT1序列兩側的序列，發現周圍是兩個典型的節肢動物基因，說明這個解毒劑配方真的被寫進煙粉虱的基因組中了。而不管身在何方，吃了什么食物的煙粉虱，都會產生解毒劑。基于這些證據，研究人員確定這個基因不是污染，而確實是被煙粉虱通過基因水平轉移 “偷到了手”。

 

盡管證明了基因水平轉移，但煙粉虱是否真的能把解毒劑派上用場？

 

對此，研究人員對煙粉虱的卵、若蟲和成蟲，以及成蟲的頭部、胸部、腹部、非腸組織、腸組織等各部位都進行了檢測，發現煙粉虱在所有發育階段和組織中均會產生解毒劑，足見其對煙粉虱的重要性。而且，解毒劑在腸道中表達最為高，表明其對煙粉虱吃下的食物起到了解毒作用。

 

但煙粉虱究竟是如何竊取了植物的BtPMaT1基因的？研究并未得出解答，研究人員推測這可能是通過某種病毒作為媒介達成的。

 

3

 

以彼之道，還施彼身

 

煙粉虱是一個物種復合體，包含30個以上形態上無法區分的物種。它雖然體型很小，卻已經成為全球危害最大的害蟲之一。

 

煙粉虱對植物的危害是多方面的。煙粉虱若蟲從卵孵化后，數小時內就開始了吸食植物的一生。若蟲和成蟲常常大量聚集在葉片背面，用針狀的刺吸式口器刺入植物韌皮部內吸食植物的汁液，給植物造成直接傷害。

 

不僅如此，和它的親戚蚜蟲一樣，煙粉虱會分泌大量的蜜露，刺激霉菌生長。最可怕的是，煙粉虱還能攜帶超過100種植物病毒，導致植物患病。

 

從前，如何防治煙粉虱是世界性難題，但有了現在的發現，人們可以針對煙粉虱偷到的解毒劑來考慮對策。實驗中，研究人員使用RNA干擾技術阻止煙粉虱生產解毒劑。失去了解毒劑的保護，煙粉虱成蟲吃下某些酚苷后的死亡率果然上升了。

 

隨后，研究人員又使用病毒誘導的基因沉默技術（VIGS），讓煙粉虱愛吃的番茄葉片可以進行RNA干擾，吃了這些番茄葉片的煙粉虱成蟲同樣死亡率上升，繁殖力下降。

 

研究人員還進一步制作了轉基因番茄，這種番茄可以自己表達BtPMaT1基因的發夾狀RNA，使煙粉虱的解毒劑失效，在半田間實驗中造成了很高的煙粉虱死亡率。當然，這個結果真正的應用還有待于更深入的實驗，來確保轉基因對番茄本身和其他生物，尤其是傳粉昆蟲沒有影響。

 

在過去的千萬年中，植物在與煙粉虱的對抗中逐漸失守。或許在不久的將來，它們中的一些將在人類的幫助下，反敗為勝。

 

作者：顧卓雅  復旦大學生物信息學博士，上海市科普作家協會會員，公眾號 “顧小姐的百草園” 創始人，從事科普教育活動9年。 來源： 知識分子微信公眾號

 

來源：Jixing Xia, Zhaojiang Guo, et al. Whitefly hijacks a plant detoxification gene that neutralizes plant toxins. Cell. 2021 Apr 1;184(7):1693-1705.e17.

 

 

來源：Jixing Xia, Zhaojiang Guo et al. Whitefly hijacks a plant detoxification gene that neutralizes plant toxins. Cell. 2021 Apr 1;184(7):1693-1705.e17.

 

 參考文獻：

 

1.Jixing Xia, Zhaojiang Guo et al. Whitefly hijacks a plant detoxification gene that neutralizes plant toxins. Cell. 2021 Apr 1;184(7):1693-1705.e17. doi: 10.1016/j.cell.2021.02.014. Epub 2021 Mar 25.