小虫窃取植物基因，获得抗毒超能力

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

导 读

一种小虫，在几千万年前窃取了植物的基因，获得了对抗植物生化武器的解药。今天，科学家们将这个秘密公之于众。

撰文｜顾卓雅

责编｜陈晓雪

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当你赖以为生的食物有毒，怎么办？是选择放弃还是夺得解药？

数千万年前，面对有毒植物，烟粉虱（Bemisia tabaci）成功窃取了植物的“解药配方”。自此，它们不惧植物毒素，大吃四方，食谱扩展到全球600多种不同植物，成为了植物最讨厌昆虫之一。

2021年4月1日，在《细胞》（Cell）的封面文章中，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队揭示了烟粉虱通过窃取本属于植物的解毒基因，获得对植物毒素的抗性，这是科学家首次发现动物通过基因水平转移，窃取并使用植物的基因。

01 植物昆虫攻防战

故事还要追溯到4亿年前，植物被食草昆虫啃食的一刻。

为了防止被吃，植物想尽办法防御，进化出了坚硬的树皮和蜡质的角质层，以及或坚硬或密集的刺。但如果食草昆虫突破了这些屏障，植物该怎么办呢？

对此，植物进化出了次生代谢产物来进行生化防御，其中最丰富的一类就是酚苷，可以影响食草昆虫的生长、发育和行为。但酚苷也会让植物自己中毒，好在植物自己配有解毒剂——酚苷丙二酰转移酶，这个酶可以将丙二酰基团连接到酚苷上，改变酚苷的结构，解除毒性。这样，植物就可以把酚苷安全储存在自己身体里了。

这本是一个非常巧妙的方法，可百密一疏，最重要的解毒剂配方，编码酚苷丙二酰转移酶的基因BtPMaT1，却被蚜虫的亲戚，体长不过1毫米的小虫——烟粉虱，偷走放进了自己的基因组中，世代传承。

研究者发现，烟粉虱不仅偷走了植物的解毒剂配方，还熟练掌握了制作工艺并充分使用。因此，当植物再次利用特定酚苷来对抗虫害时，烟粉虱就能用上植物的解药化解酚苷，完全不会受到任何影响。

02 如何确认基因是“偷”的？

烟粉虱这种跨物种窃取基因的行为，在生物学上称为基因水平转移。

基因水平转移看似有悖父母遗传给后代的常理，却并不稀奇。在微生物界，窃取基因就是常规操作，这也是为什么一旦一种细菌产生了抗药基因，很快就会传播到其他的细菌中。

而植物或动物偷到微生物基因的案例相对少一些，因为整个过程复杂很多，外部的基因要进入细胞核，整合到基因组中，并产生相应的功能，还得进入生殖细胞才能传承。

即便如此，也有不少成功者，比如咖啡果小蠹（Hypothenemus hampei），就偷到了细菌的HhMAN1基因，获得了从难以消化的植物细胞壁提取更多营养的能力。

植物与动物间的基因水平转移就更少了。甚至直到这篇论文之前，人们从未观察到过。

一方面，植物与动物间的基因传递更为复杂；另一方面，要证明基因水平转移也着实不易，因为能够发生基因水平转移的物种，必然存在非常密切的关系，实验中要将两者的遗传物质彻底区分非常困难。

对于烟粉虱来说，研究者必须提供两个证据：一是证明基因确实是从植物中来，另一点要证明不是实验中植物寄主的污染。

在最新的研究中，研究人员观察了烟粉虱偷到的解毒剂配方——BtPMaT1的序列，发现确实跟植物基因组中的原版配方非常接近，而在其他节肢动物基因组中却完全没有。进一步的进化分析也确证了这确实是来源于植物的配方。

为了证明检测到的序列不是源于污染，研究人员观察了烟粉虱BtPMaT1序列两侧的序列，发现周围是两个典型的节肢动物基因，说明这个解毒剂配方真的被写进烟粉虱的基因组中了。而不管身在何方，吃了什么食物的烟粉虱，都会产生解毒剂。基于这些证据，研究人员确定这个基因不是污染，而确实是被烟粉虱通过基因水平转移 “偷到了手”。

尽管证明了基因水平转移，但烟粉虱是否真的能把解毒剂派上用场？

文章来源：《植物研究》 网址: http://www.zwyjzz.cn/zonghexinwen/2021/1026/1933.html