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當(dāng)你賴以為生的食物有毒,怎么辦？是選擇放棄還是奪得解藥？

數(shù)千萬(wàn)年前,面對(duì)有毒植物,煙粉虱(Bemisia tabaci)成功竊取了植物的“解藥配方”。自此,它們不懼植物毒素,大吃四方,食譜擴(kuò)展到全球600多種不同植物,成為了植物最討厭昆蟲(chóng)之一。

2021年4月1日,在《細(xì)胞》(Cell)的封面文章中,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍團(tuán)隊(duì)揭示了煙粉虱通過(guò)竊取本屬于植物的解毒基因,獲得對(duì)植物毒素的抗性,這是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)動(dòng)物通過(guò)基因水平轉(zhuǎn)移,竊取并使用植物的基因。

植物昆蟲(chóng)攻防戰(zhàn)

故事還要追溯到4億年前,植物被食草昆蟲(chóng)啃食的一刻。

為了防止被吃,植物想盡辦法防御,進(jìn)化出了堅(jiān)硬的樹(shù)皮和蠟質(zhì)的角質(zhì)層,以及或堅(jiān)硬或密集的刺。但如果食草昆蟲(chóng)突破了這些屏障,植物該怎么辦呢？

對(duì)此,植物進(jìn)化出了次生代謝產(chǎn)物來(lái)進(jìn)行生化防御,其中最豐富的一類就是酚苷,可以影響食草昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)、發(fā)育和行為。但酚苷也會(huì)讓植物自己中毒,好在植物自己配有解毒劑--酚苷丙二酰轉(zhuǎn)移酶,這個(gè)酶可以將丙二酰基團(tuán)連接到酚苷上,改變酚苷的結(jié)構(gòu),解除毒性。這樣,植物就可以把酚苷安全儲(chǔ)存在自己身體里了。

這本是一個(gè)非常巧妙的方法,可百密一疏,最重要的解毒劑配方,編碼酚苷丙二酰轉(zhuǎn)移酶的基因BtPMaT1,卻被蚜蟲(chóng)的親戚,體長(zhǎng)不過(guò)1毫米的小蟲(chóng)--煙粉虱,偷走放進(jìn)了自己的基因組中,世代傳承。

研究者發(fā)現(xiàn),煙粉虱不僅偷走了植物的解毒劑配方,還熟練掌握了制作工藝并充分使用。因此,當(dāng)植物再次利用特定酚苷來(lái)對(duì)抗蟲(chóng)害時(shí),煙粉虱就能用上植物的解藥化解酚苷,完全不會(huì)受到任何影響。

如何確認(rèn)基因是“偷”的？

煙粉虱這種跨物種竊取基因的行為,在生物學(xué)上稱為基因水平轉(zhuǎn)移。

基因水平轉(zhuǎn)移看似有悖父母遺傳給后代的常理,卻并不稀奇。在微生物界,竊取基因就是常規(guī)操作,這也是為什么一旦一種細(xì)菌產(chǎn)生了抗藥基因,很快就會(huì)傳播到其他的細(xì)菌中。

而植物或動(dòng)物偷到微生物基因的案例相對(duì)少一些,因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程復(fù)雜很多,外部的基因要進(jìn)入細(xì)胞核,整合到基因組中,并產(chǎn)生相應(yīng)的功能,還得進(jìn)入生殖細(xì)胞才能傳承。

即便如此,也有不少成功者,比如咖啡果小蠹(Hypothenemus hampei),就偷到了細(xì)菌的HhMAN1基因,獲得了從難以消化的植物細(xì)胞壁提取更多營(yíng)養(yǎng)的能力。

植物與動(dòng)物間的基因水平轉(zhuǎn)移就更少了。甚至直到這篇論文之前,人們從未觀察到過(guò)。

一方面,植物與動(dòng)物間的基因傳遞更為復(fù)雜；另一方面,要證明基因水平轉(zhuǎn)移也著實(shí)不易,因?yàn)槟軌虬l(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移的物種,必然存在非常密切的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)中要將兩者的遺傳物質(zhì)徹底區(qū)分非常困難。

對(duì)于煙粉虱來(lái)說(shuō),研究者必須提供兩個(gè)證據(jù)：一是證明基因確實(shí)是從植物中來(lái),另一點(diǎn)要證明不是實(shí)驗(yàn)中植物寄主的污染。

在最新的研究中,研究人員觀察了煙粉虱偷到的解毒劑配方--BtPMaT1的序列,發(fā)現(xiàn)確實(shí)跟植物基因組中的原版配方非常接近,而在其他節(jié)肢動(dòng)物基因組中卻完全沒(méi)有。進(jìn)一步的進(jìn)化分析也確證了這確實(shí)是來(lái)源于植物的配方。

為了證明檢測(cè)到的序列不是源于污染,研究人員觀察了煙粉虱BtPMaT1序列兩側(cè)的序列,發(fā)現(xiàn)周圍是兩個(gè)典型的節(jié)肢動(dòng)物基因,說(shuō)明這個(gè)解毒劑配方真的被寫(xiě)進(jìn)煙粉虱的基因組中了。而不管身在何方,吃了什么食物的煙粉虱,都會(huì)產(chǎn)生解毒劑?；谶@些證據(jù),研究人員確定這個(gè)基因不是污染,而確實(shí)是被煙粉虱通過(guò)基因水平轉(zhuǎn)移 “偷到了手”。

盡管證明了基因水平轉(zhuǎn)移,但煙粉虱是否真的能把解毒劑派上用場(chǎng)？

對(duì)此,研究人員對(duì)煙粉虱的卵、若蟲(chóng)和成蟲(chóng),以及成蟲(chóng)的頭部、胸部、腹部、非腸組織、腸組織等各部位都進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)煙粉虱在所有發(fā)育階段和組織中均會(huì)產(chǎn)生解毒劑,足見(jiàn)其對(duì)煙粉虱的重要性。而且,解毒劑在腸道中表達(dá)最為高,表明其對(duì)煙粉虱吃下的食物起到了解毒作用。

但煙粉虱究竟是如何竊取了植物的BtPMaT1基因的？研究并未得出解答,研究人員推測(cè)這可能是通過(guò)某種病毒作為媒介達(dá)成的。

以彼之道,還施彼身

煙粉虱是一個(gè)物種復(fù)合體,包含30個(gè)以上形態(tài)上無(wú)法區(qū)分的物種。它雖然體型很小,卻已經(jīng)成為全球危害最大的害蟲(chóng)之一。

煙粉虱對(duì)植物的危害是多方面的。煙粉虱若蟲(chóng)從卵孵化后,數(shù)小時(shí)內(nèi)就開(kāi)始了吸食植物的一生。若蟲(chóng)和成蟲(chóng)常常大量聚集在葉片背面,用針狀的刺吸式口器刺入植物韌皮部?jī)?nèi)吸食植物的汁液,給植物造成直接傷害。

不僅如此,和它的親戚蚜蟲(chóng)一樣,煙粉虱會(huì)分泌大量的蜜露,刺激霉菌生長(zhǎng)。最可怕的是,煙粉虱還能攜帶超過(guò)100種植物病毒,導(dǎo)致植物患病。

從前,如何防治煙粉虱是世界性難題,但有了現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn),人們可以針對(duì)煙粉虱偷到的解毒劑來(lái)考慮對(duì)策。實(shí)驗(yàn)中,研究人員使用RNA干擾技術(shù)阻止煙粉虱生產(chǎn)解毒劑。失去了解毒劑的保護(hù),煙粉虱成蟲(chóng)吃下某些酚苷后的死亡率果然上升了。

隨后,研究人員又使用病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)(VIGS),讓煙粉虱愛(ài)吃的番茄葉片可以進(jìn)行RNA干擾,吃了這些番茄葉片的煙粉虱成蟲(chóng)同樣死亡率上升,繁殖力下降。

研究人員還進(jìn)一步制作了轉(zhuǎn)基因番茄,這種番茄可以自己表達(dá)BtPMaT1基因的發(fā)夾狀RNA,使煙粉虱的解毒劑失效,在半田間實(shí)驗(yàn)中造成了很高的煙粉虱死亡率。當(dāng)然,這個(gè)結(jié)果真正的應(yīng)用還有待于更深入的實(shí)驗(yàn),來(lái)確保轉(zhuǎn)基因?qū)Ψ驯旧砗推渌?尤其是傳粉昆蟲(chóng)沒(méi)有影響。

在過(guò)去的千萬(wàn)年中,植物在與煙粉虱的對(duì)抗中逐漸失守。或許在不久的將來(lái),它們中的一些將在人類的幫助下,反敗為勝。