顧卓雅

動(dòng)物世界里的“絕世神偷”

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，成為植物最討厭的昆蟲之一。

近日，在《細(xì)胞》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)物通過基因水平轉(zhuǎn)移，竊取并使用植物的基因。

《細(xì)胞》對(duì)該研究進(jìn)行報(bào)道

煙粉虱

植物、昆蟲攻防戰(zhàn)

故事還要追溯到4億年前，植物被食草昆蟲啃食的那一刻。

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。但如果食草昆蟲突破了這些屏障，植物該怎么辦呢。

對(duì)此，植物進(jìn)化出次生代謝產(chǎn)物來進(jìn)行生化防御，其中最豐富的一類就是酚昔，可以影響食草昆蟲的生長(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―酚昔丙二酰轉(zhuǎn)移酶，這個(gè)酶可以將丙二?；鶊F(tuán)連接到酚昔上，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，卻被蚜蟲的親戚、體長(zhǎng)不過1毫米的煙粉虱偷走放進(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昔來對(duì)抗蟲害時(shí)，煙粉虱就能用上植物的解藥化解酚營(yíng)，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a，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，人們從未觀察過。

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)于煙粉虱來說，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，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有。進(jìn)一步的進(jìn)化分析，也證明了這確實(shí)是來源于植物的配方。

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BtPMa丁1基因兩側(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，說明這個(gè)解毒劑配方真的被寫進(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)基因不是源于污染，而確實(shí)是被煙粉虱通過基因水平轉(zhuǎn)移“偷到了手”。

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)上無法區(qū)分的物種。它雖然很小，卻已經(jīng)成為全球危害最大的害蟲之一。

煙粉虱對(duì)植物的危害是多方面的。煙粉虱若蟲從卵孵化后，數(shù)小時(shí)內(nèi)就開始吸食植物。若蟲和成蟲常常大量聚集在植物葉片背面，用針狀的刺吸式口器刺入植物吸食汁液，給植物造成直接傷害。

不僅如此，和它的親戚蚜蟲一樣，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)，讓煙粉虱愛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)夾狀尺NA，使煙粉虱的解毒劑失效，在田間實(shí)驗(yàn)中造成了很高的煙粉虱死亡率。當(dāng)然，這個(gè)結(jié)果的真正應(yīng)用還有待于更深入的實(shí)驗(yàn)，來確保轉(zhuǎn)基因?qū)Ψ驯旧砗推渌?，尤其是傳粉昆蟲沒有影響。

在過去的干萬(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，它們中的一些將在人類的幫助下，反敗為勝。

文章來源：“知識(shí)分子”微信公眾號(hào)

（責(zé)任編樣：吳宇）