从植物到昆虫的一次基因转移,让超级害虫危害人间

     “超级害虫” 烟粉虱。|Wiki   作者|汤波 分子生物学博士   编辑|陈天真   在自然界,植物需要对抗的不是僵尸,而是各种有害昆虫。昆虫想吃植物,但植物不想被昆虫…

  

  “超级害虫” 烟粉虱。|Wiki

  作者|汤波 分子生物学博士

  编辑|陈天真

  在自然界,植物需要对抗的不是僵尸,而是各种有害昆虫。昆虫想吃植物,但植物不想被昆虫吃掉,于是漫长的生命演化过程中,植物和昆虫积极进行着军备竞赛,发展各种防御和进攻策略,有时甚至不惜成为基因窃贼。

  比如,数千万年前,当“超级害虫” 烟粉虱落在植物叶片上吮吸甜美汁液时,可能意外地“窃取”了植物的一种强大基因,从而让自己获得了抵御植物毒素的武器,从此肆无忌惮地危害人间……

  基因的奇幻漂流

  说起基因遗传,我们熟悉的是,它携带着生命体的种种特征,从上一代垂直传递到下一代。

  然而如果将漫长的生命演化历史看过一条河流,基因其实并不是简单地顺流而下,而是会时不时纵横交错,打破亲缘关系的界限,经历一场奇幻漂流,从病毒进入细菌,在各种细菌之间流窜,从病毒、细菌转移到更复杂的生命体…… 这个过程被称为水平基因转移。

  

  基因通常是从上一代垂直传递到下一代,但也可以跨越不同生物个体,发生水平转移。|维基百科

  对于细菌这样的原核生物而言,其DNA没有包裹在细胞核中,而是游离在细胞内,水平基因转移简直是家常便饭,大约80%的基因都曾频繁转移。

  它们可以直接吸收另一种细菌的基因,可以通过病毒导入外源基因,还可以彼此结合交换基因。一般来说,除了一些对细菌生存至关重要的基因(比如负责基因表达、转录和翻译的基因)不容易发生转移外,其他功能性基因很容易开启一趟漂流之旅。

  对于包括动物、植物、真菌在内的真核生物而言,DNA被禁锢在细胞核内,基因水平转移没那么常见,但也并非新鲜事。基因仍然会不时从病毒、细菌或真菌“漂流”到动植物基因组中赖着不走。

  比如科学家发现,一种叫做蛭形轮虫的微小无脊椎动物,竟然含有大约10%的“外源”基因,它们大多来自细菌和真菌。豌豆蚜虫曾经从真菌中获得一种基因,使其原本绿色的外表变成了红色,以躲避天敌。小麦的近缘植物长穗偃麦草则因为获得了一个真菌基因,对赤霉病具有更强抗性。

  与之相比,基因在真核生物之间的转移则相对罕见。不过最近,科学家发现,进化历程至少相隔10亿年的植物和昆虫之间,竟然曾克服重重障碍,进行了一场基因层面的角逐。

  

  基因会从病毒、细菌、真菌转移到动植物的基因组中。|Cell

  植物和昆虫的基因大战

  植物和昆虫之间的之间的战争是一场斗智斗勇的军备竞赛。很多植物为了防御昆虫进攻,会分泌防御毒素,让昆虫得不到好果子吃,甚至命丧黄泉。酚糖苷正是这样一种“毒药”。

  不过冤家路窄,面对“超级害虫” 烟粉虱,这种毒药却全无用武之地。全世界的烟粉虱大概有30多种,它们会刺吸植物汁液,同时分泌黏糊糊的蜜露,滋生霉菌,更能传播300余种病毒,危害600多种植物,每年在全球造成数十亿美元的经济损失,被联合国粮农组织认定为世界第二大害虫。

  小小的烟粉虱为何如此强悍?中国农业科学院蔬菜花卉研究所的科学家经过20年的研究后发现,这是因为烟粉虱能分泌一种酶来化解植物中酚糖苷的毒性。一旦对植物进行基因改造,抑制这种酶的合成,烟粉虱在咀嚼植物叶片大快朵颐之后,基本就会全军覆没。

  更有意思的是,烟粉虱的武器很可能恰恰来自植物自身。俗话说,伤敌一千,自损八百,“毒药”不仅对外敌有害,对植物本身也不利,所以植物首先创造出“解药”为自己化解毒性。后来烟粉虱或许是在进食过程中,意外地 “偷”来了植物基因,结果靠着“以子之矛,攻子之盾”的策略,轻松瓦解了植物的防御体系,从此烟粉虱的子子孙孙都可以舒舒服服当“吃货”。

  这项成果于3月25日发表在国际著名学术期刊《细胞》上,第一次确切表明了植物向昆虫的水平基因转移,同时也启发我们,或许可以通过特定方式改造植物基因,赶走烟粉虱,且不伤害授粉的有益昆虫。

  

  “超级害虫”烟粉虱很可能是 “偷”来植物基因为己所用。|Getty

  每个生命都是众多基因的汇流

  其实,不止细菌、真菌,也不止植物、昆虫,包括我们人类自己在内的每种生命,在进化过程中都可能接纳来自其它物种的基因,也能将自身的基因传递给其他物种。从这个意义上说,每一个生命都是众多基因的汇流。

  而且时至今日,生命的基因河流仍然充满着流动性。剑桥大学的一项研究发现,线虫体内有超过300个基因来源于水平转移,果蝇有60个以上,就连灵长类动物也有200个以上这样的基因。这种水平基因转移不仅发生在物种进化早期,线虫和果蝇现在仍然非常乐意接受外来基因,相对而言,灵长类动物则安分得多,很少接受外来基因“定居”。

  

  每一个生命都是众多基因的汇流,人体内也有来自其他生物的基因。|Science

  不过,这并不意味着人类的基因河流是静止的。自人类基因组计划实施以来,科学家在人类基因组中发现了大量远古逆转录病毒的基因片段,最高可占到人类基因组的8%。很可能是远古病毒感染了人类祖先,将基因片段留存了下来,经过数千万年的积累,逐渐成为灵长类动物及人类基因组的重要组成部分。

  今天,人类和病毒、细菌之间的基因交流仍在持续进行,这个过程充满凶险,却也可能让我们获得生存和进化的优势,推动生命不断演化。

  参考资料

  [1]J. Xia et al. Whitefly hijacks a plant detoxification gene that neutralizes plant toxins. Cell. Published online March 25, 2021. doi: 10.1016/j.cell.2021.02.014.

  [2]W.J. Lapadula, M.L. Mascotti and M.J. Ayub. Whitefly genomes contain ribotoxin coding genes acquired from plants. Scientific Reports. Vol. 10, September 23, 2020. doi: 10.1038/s41598-020-72267-1.

  [3]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00782-w

  [4]https://www.sciencenews.org/article/whitefly-plant-gene-transfer-pest-biology-chemical-toxin

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