从植物到昆虫的一次基因转移，让超级害虫危害人间

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文章由“科普研习社”（ID：cspbooks）公众号发布，转载请注明出处。

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