基因“分身術(shù)”：抗性基因被盜后的雙重演化

類甜蛋白（TLP）基因本是植物對(duì)抗病原真菌的“生化武器”。然而，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化史中，這種關(guān)鍵基因卻被兩種近緣害蟲(chóng)通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）機(jī)制“竊取”，并在不同物種間演化出截然不同的功能。

“有點(diǎn)像哪吒的三頭六臂?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所（以下簡(jiǎn)稱蔬菜所）研究員張友軍形象地解釋道，“一個(gè)源自植物的古老基因，在溫室白粉虱和煙粉虱體內(nèi)分化出兩種功能迥異的‘分身’，讓植物和害蟲(chóng)都增強(qiáng)了對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)能力?！?/p>

煙粉虱成蟲(chóng)。中國(guó)農(nóng)科院蔬菜所

2月28日，《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）在線發(fā)表了張友軍團(tuán)隊(duì)的上述研究成果，揭示了水平轉(zhuǎn)移基因促進(jìn)兩種近緣種粉虱的生態(tài)位分化機(jī)制。

跨越物種屏障的基因“跳躍”

水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）是驅(qū)動(dòng)生物進(jìn)化的重要力量，它打破了傳統(tǒng)垂直遺傳從一代到下一代的界限，使基因能在不同物種間“跳躍”。

“我們重建了類甜蛋白基因的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，發(fā)現(xiàn)它與植物同源基因的氨基酸相似度高達(dá)68%，而與昆蟲(chóng)自身基因毫無(wú)親緣關(guān)系?！惫餐ㄓ嵶髡?、蔬菜所研究員郭兆介紹。該基因轉(zhuǎn)移可能通過(guò)植物病毒或共生微生物介導(dǎo)——這些“基因快遞員”能將植物DNA片段整合進(jìn)粉虱基因組。

論文第一作者、蔬菜所博士生胡媛介紹，他們的研究發(fā)現(xiàn)，在溫室白粉虱，類甜蛋白基因保留了“老本行”——在植物中抗真菌的原始功能，并將其優(yōu)化為自身的“生物護(hù)甲”。當(dāng)昆蟲(chóng)病原真菌侵襲溫室白粉虱時(shí)，類甜蛋白基因編碼的蛋白能有效抑制真菌細(xì)胞壁合成，使溫室白粉虱在真菌競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

而煙粉虱則對(duì)“偷來(lái)”的基因進(jìn)行了徹底改造。其類甜蛋白基因編碼的是一種存在于唾液腺的新型效應(yīng)蛋白。當(dāng)煙粉虱刺吸植物汁液時(shí)，這種蛋白通過(guò)唾液注入植物體內(nèi)，精準(zhǔn)抑制宿主植物的茉莉酸（JA）信號(hào)通路。由于茉莉酸是植物抵抗蟲(chóng)害的核心“警報(bào)系統(tǒng)”，該機(jī)制使煙粉虱能悄無(wú)聲息地瓦解植物的抗蟲(chóng)防御。

溫室白粉虱成蟲(chóng)(（左）和煙粉虱成蟲(chóng)。中國(guó)農(nóng)科院蔬菜所供圖

“這是首次發(fā)現(xiàn)同一水平轉(zhuǎn)移基因在近緣昆蟲(chóng)中發(fā)生功能分化?！惫讓?qiáng)調(diào)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)RNAi技術(shù)沉默類甜蛋白基因后，溫室白粉虱對(duì)真菌的抵抗力顯著下降，而煙粉虱的取食效率則降低40%以上，直接證實(shí)了該基因的關(guān)鍵作用。

進(jìn)化啟示錄：功能分化的生態(tài)驅(qū)動(dòng)力

為何同一基因在兩種害蟲(chóng)中演化出不同功能？研究團(tuán)隊(duì)從生態(tài)位分化角度給出了解釋。

郭兆將介紹，溫室白粉虱主要分布于溫帶地區(qū)，高濕度環(huán)境使其更易遭遇真菌感染，因此強(qiáng)化抗真菌能力成為生存剛需。

煙粉虱作為入侵物種，需快速適應(yīng)不同寄主植物。抑制植物茉莉酸通路能幫助其突破宿主防御，實(shí)現(xiàn)全球擴(kuò)張。

“這種差異反映了害蟲(chóng)對(duì)環(huán)境壓力的‘解題策略’?！焙卤扔鞯?，“就像兩兄弟繼承了同一塊‘神鐵’，哥哥把它鍛造成盾牌抵御外敵，弟弟卻將其磨成利劍攻城略地?！?/p>

張友軍強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)認(rèn)為，物種進(jìn)化依賴隨機(jī)突變與自然選擇的漫長(zhǎng)積累。而類甜基因的研究表明，水平基因轉(zhuǎn)移可能在短時(shí)間內(nèi)為物種提供新的適應(yīng)能力，加速了物種分化的進(jìn)程。

“這就像在進(jìn)化游戲中使用了作弊碼?！睆堄衍娞寡裕盁煼凼瓋H用數(shù)百萬(wàn)年就‘山寨’出超越植物原版的茉莉酸抑制系統(tǒng)，這正是其成為超級(jí)入侵生物的重要原因?！?/p>

該研究顛覆了人們對(duì)植食性昆蟲(chóng)的認(rèn)知：“過(guò)去認(rèn)為害蟲(chóng)只是被動(dòng)適應(yīng)植物防御，實(shí)際上它們能主動(dòng)‘劫持’宿主的基因武器?！惫讓⒅赋?，這種基因?qū)用娴摹肮シ缿?zhàn)”，可能比化學(xué)防御的歷史更為悠久。

從實(shí)驗(yàn)室到農(nóng)田：害蟲(chóng)防控的新武器庫(kù)

溫室白粉虱和煙粉虱危害棉花、番茄、黃瓜等600余種作物，每年造成數(shù)百億美元損失。面對(duì)這兩種全球性害蟲(chóng)，研究團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新防控思路：利用RNA干擾（RNAi）技術(shù)靶向沉默類甜蛋白基因。

“我們已設(shè)計(jì)出針對(duì)兩種粉虱類甜蛋白基因的特異性雙鏈RNA，施用這類生物制劑可以削弱害蟲(chóng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力?！睆堄衍姳硎?，這種方法不僅綠色環(huán)保，還能夠減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了全新方向。

此外，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，類甜蛋白基因僅是“冰山一角”?！袄ハx(chóng)基因組中可能存在大量水平轉(zhuǎn)移基因，它們可能是害蟲(chóng)適應(yīng)寄主、抵抗農(nóng)藥的關(guān)鍵?！惫讓⒄f(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)為害蟲(chóng)綠色防控開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。

“通過(guò)深入研究害蟲(chóng)基因組中的水平轉(zhuǎn)移基因，我們或許可以找到更多害蟲(chóng)災(zāi)變的關(guān)鍵因子，為精準(zhǔn)防控提供理論依據(jù)。”張友軍補(bǔ)充道，他們希望能夠進(jìn)一步探索害蟲(chóng)基因組中更多的“秘密”，為農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)的綠色防控貢獻(xiàn)更多力量。

“或許，在未來(lái)的某一天，我們能夠利用這些害蟲(chóng)偷來(lái)的秘密武器，反過(guò)來(lái)繳械對(duì)付它們，幫助植物贏得這場(chǎng)持續(xù)了上億年的戰(zhàn)爭(zhēng)?！睆堄衍娬f(shuō)。