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Cell|一个已知从植物转移给昆虫的基因

2021-03-29

一种有害的农业害虫在数百万年前窃取了植物的一个基因,成就了它的成功。

这项发现,发表在3月25日的《Cell》上,是第一个已知的从植物转移到昆虫的天然基因例子。这也解释了为什么烟粉虱(Bemisia tabaci)如此善于在作物上大口大口地吃东西的一个原因:它从植物身上掠过的基因使它能够中和一些植物产生的一种来抵御昆虫的毒素,为防治害虫提供了一条可能的途径。伊利诺伊州芝加哥大学研究植物与害虫相互作用的 Andrew Gloss说:“这揭示了一种机制,通过这种机制,我们可以使天平向有利于植物的方向倾斜。这是研究进化如何为作物保护等应用提供新方法的一个显著例子。”

与蚜虫的关系比与苍蝇的关系更为密切的小型粉虱在世界各地造成了农业灾难。 烟粉虱是最具破坏性的植物害虫之一:粉虱分泌数百种植物的含糖汁液,同时分泌一种称为蜜露的粘性甜味物质,作为霉菌的繁殖地。粉虱也是上百种致病性植物病毒的载体。

有些种类的粉虱的捕食能力可能部分归功于来自其他生物基因,这并不完全令人惊讶,因为基因盗窃在植物和害虫之间的军备竞赛中很常见。千百万年来,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来制定防御或进攻策略,掠夺微生物基因,从难以消化的植物细胞壁中提取更多营养,小麦的一个野生亲戚盗取了一个真菌基因来抵御一种叫做赤霉病的真菌病。但是现在还不知道植物和昆虫会互相偷窃。

北京中国农业科学院昆虫学家Youjun Zhang及其同事正在搜寻烟粉虱基因组寻找偷窃基因,当时他们发现一种似乎不是在其他昆虫或微生物中进化而是在植物中进化的基因。

进一步的研究表明,该基因可以将一个化学基团转移到称为酚类葡萄糖苷的防御性化合物上。这些化合物由包括西红柿在内的许多植物制成,以抵御害虫。但是由粉虱基因引起的修饰使化合物无害。

为了验证这一假设,该团队设计了番茄植物来产生能够关闭粉虱基因表达的双链RNA分子。几乎所有随后食用番茄植物的粉虱都死亡了。

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说,这一结果表明了一种针对粉虱的新方法。他说:“这提供了一个很好的具体机会。你可以阻止粉虱离开,但不会伤害传粉媒介等有益昆虫。”

植物害虫战斗

瑞士Neuchatel大学化学生态学家Ted Turlings说,物种间的基因转移可能难以证明。为此,Zhang,Turlings及其同事分析了植物中相似基因的序列,并确定粉虱基因是他们的进化亲属。该小组还进行了分析,表明该基因已整合到粉虱基因组中,而不是植物DNA污染样品的结果。


马克斯·普朗克化学生态研究所的分子昆虫学家Yannick Pauchet说,结果令人惊讶,但令人信服。他说:“根据他们提供的数据,水平基因转移是最简约的解释。”

但是粉虱如何设法偷窃植物基因尚不清楚。Turlings说,一种可能性是病毒作为一种中间体,将植物中的遗传物质穿梭到粉虱基因组中。

Gloss说,随着研究人员对更多基因组进行测序,他们可能会发现更多植物和动物之间基因转移的例子。

他说:“从植物本身获取基因的昆虫只是我们尚未发现的‘军备竞赛’的冰山一角。在生命之树上,到处都充满了植物与其害虫或病原体之间的战斗”


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