在3500萬至8000萬年前的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一只粉虱落在一片葉子上并開始吸食其甜美的汁液。那頓決定性的大餐提供的不僅僅是糖。一項(xiàng)新研究表明，不知何故，這種植物的一個(gè)基因進(jìn)入了粉虱的基因組，并可能幫助其祖先成為當(dāng)今最臭名昭著的農(nóng)業(yè)害蟲之一。
該基因幫助植物中和并安全儲(chǔ)存它們用來阻止食草動(dòng)物的某些有毒分子。在粉虱(Bemisiatabaci)中，它允許昆蟲以植物群為食，而不受植物界最好的化學(xué)武器之一的影響，研究人員3月25日在Cell上報(bào)告說。這種植物與昆蟲的基因交換是有史以來第二次記錄，也是昆蟲有效征用其“獵物”的遺傳工具箱以對(duì)付它們的最明顯例子。
“十年或20年前，沒有人認(rèn)為這種基因轉(zhuǎn)移是可能的，”德國耶拿馬克斯普朗克化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所的化學(xué)生態(tài)學(xué)家RoyKirsch說，他沒有參與這項(xiàng)研究。“基因必須克服許多障礙才能從植物轉(zhuǎn)移到昆蟲，但這項(xiàng)研究清楚地表明它確實(shí)發(fā)生了，并且該基因?yàn)榉凼峁┝撕锰帯?rdquo;
基因交換在細(xì)菌中很常見(SN:10/31/11)，并且偶爾會(huì)發(fā)生在腸道微生物和它們的動(dòng)物宿主之間。這個(gè)過程被稱為水平基因轉(zhuǎn)移，它允許生物體繞過父母對(duì)后代遺傳的單調(diào)乏味的性質(zhì)，并立即獲得由幾代自然選擇塑造的基因。但是從植物到昆蟲的基因跳躍，譜系被至少十億年的進(jìn)化分開，以前只被記錄過一次，也是在粉虱中。
粉虱是一種類似蚜蟲的昆蟲，以全球600多種不同的植物為食。有害害蟲的廣泛飲食部分源于它們逃避許多常見植物防御的能力(SN:4/4/19)。在尋找這種能力背后的基因時(shí)，中國的研究人員在三種密切相關(guān)的粉虱物種中偶然發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西——一種叫做BtPMaT1的基因，已知它不存在于植物之外。
有兩種情況可以解釋這種模式。要么該基因出現(xiàn)在植物和昆蟲的共同祖先中，隨后在生命之樹的所有中間分支上被扼殺，要么粉虱以某種方式從植物中獲得了該基因。Kirsch說，由于植物和昆蟲的親緣關(guān)系如此遙遠(yuǎn)，后一種情況“更有可能發(fā)生”。這三種粉虱物種在大約3500萬年前分裂，表明它們?cè)诖酥熬瞳@得了基因。但在8000萬年前分化的近親缺乏該基因，這表明轉(zhuǎn)移發(fā)生在那個(gè)窗口內(nèi)。
該基因允許植物通過中和毒素來儲(chǔ)存一種叫做酚苷的常見防御性化學(xué)物質(zhì)，直到食草動(dòng)物開始咀嚼。“酚苷對(duì)昆蟲的毒性很大，”該研究的共同作者、瑞士納沙泰爾大學(xué)的化學(xué)生態(tài)學(xué)家和昆蟲學(xué)家TedTurlings說。粉虱可能利用植物解毒基因來耐受植物毒素的可能性吸引了Turlings在中國的同事。
研究人員在實(shí)驗(yàn)室中將一些RNA插入番茄植株中。一旦被粉虱攝入，RNA就會(huì)被設(shè)計(jì)成禁用它們的BtPMaT1基因。然后，該團(tuán)隊(duì)放飛了粉虱。在以五種轉(zhuǎn)基因植物為食一周后，大約2,500只粉虱幾乎全部死亡，而以未改變植物為食的粉虱中只有約20%死亡。Turlings說，如此劇烈的影響表明該基因在幫助粉虱繞過植物防御方面發(fā)揮著重要作用。
植物BtPMaT1究竟是如何進(jìn)入粉虱體內(nèi)的仍然是個(gè)謎。病毒會(huì)意外地在宿主之間穿梭DNA片段，Turlings懷疑這很可能發(fā)生在這里。“這是一個(gè)極其罕見的事件，但當(dāng)你談?wù)摂?shù)十億昆蟲和植物在數(shù)百萬年內(nèi)相互作用時(shí)，它變得更有可能，”他說。水平基因轉(zhuǎn)移可能是“害蟲獲得應(yīng)對(duì)植物防御能力的重要機(jī)制”。
9月23日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》(ScientificReports)上的第一個(gè)記錄在案的植物與昆蟲基因交換也發(fā)生在粉虱中，盡管該基因在該交換中的功能尚不清楚。不過，此類事件的兩個(gè)已知例子都發(fā)生在同一種食草昆蟲身上，這可能并非巧合。
“粉虱和它們的植物宿主的生活密切相關(guān)，”達(dá)特茅斯學(xué)院的進(jìn)化微生物學(xué)家ShannonSoucy說，他沒有參與這項(xiàng)研究。她說，持續(xù)的暴露使系統(tǒng)為此類事件做好準(zhǔn)備，最終允許粉虱使用這種植物防御基因來對(duì)抗其制造者。
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