昆蟲起源于約4.8億年前，是地球上最繁盛的動(dòng)物類群，已被描述的種類超過100萬(wàn)，占所有動(dòng)物種類的50%以上。這個(gè)古老的動(dòng)物類群在發(fā)育、行為、社會(huì)性、生態(tài)等方面展現(xiàn)出極其豐富的多樣性，是地球上最成功的動(dòng)物類群。
講到昆蟲的遺傳，一般認(rèn)為是從父母中直系遺傳得來(lái)，但許多微生物在與昆蟲共生時(shí)，會(huì)悄悄將其基因傳遞給昆蟲。這類跨物種的基因交流，即水平轉(zhuǎn)移基因（HGT）常常被科學(xué)家忽視，那么昆蟲如何獲得“飛來(lái)”的外源基因？這些基因?qū)ハx生存具有什么樣的影響？
經(jīng)過多年研究，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院昆蟲科學(xué)研究所最新的研究指出，昆蟲基因組內(nèi)存在大量的水平轉(zhuǎn)移基因，并發(fā)現(xiàn)“飛來(lái)”的外源基因?qū)ハx求偶起到重要作用。
這項(xiàng)研究于北京時(shí)間7月18日，刊登在國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》上，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院研究生李楊、劉志國(guó)、劉超為共同第一作者，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院沈星星研究員、黃健華研究員、范德堡大學(xué)Antonis Rokas教授為共同通訊作者，陳學(xué)新教授給予大力支持和幫助，陳云教授、潘榮輝研究員、周文武研究員等也參與本研究。
“火眼金睛”精準(zhǔn)識(shí)別水平轉(zhuǎn)移基因
“經(jīng)過幾億年的進(jìn)化，昆蟲到底獲得了多少水平轉(zhuǎn)移基因？”帶著這個(gè)科學(xué)問題，研究人員開展了大規(guī)模的水平轉(zhuǎn)移基因的鑒定和篩查。
研究人員對(duì)218個(gè)高質(zhì)量的昆蟲基因組開展系統(tǒng)分析和研究，這些昆蟲種類包括多種蝴蝶、蛾類、甲蟲、飛虱、蜜蜂等，并對(duì)近50萬(wàn)個(gè)基因樣本進(jìn)行了大數(shù)據(jù)分析和篩查?！斑^去也能看到零星水平轉(zhuǎn)移基因研究，但是如此大規(guī)模研究實(shí)屬罕見，并且該研究還開發(fā)了一種更高精度的篩查算法?！薄都?xì)胞》一位匿名評(píng)審專家指出。
本研究共鑒定獲得1410個(gè)外源的水平轉(zhuǎn)移基因，許多都是首次報(bào)道。平均而言，鱗翅目（如小菜蛾、黑脈金斑蝶等）獲得16個(gè)HGT基因/物種，半翅目（如褐飛虱等）獲得13個(gè)HGT基因/物種，鞘翅目（如赤擬谷盜等）獲得6個(gè)HGT基因/物種，膜翅目（如西方蜜蜂等）獲得3個(gè)HGT基因/物種。從HGT基因來(lái)源來(lái)說(shuō)，79%的HGT基因是從細(xì)菌中獲得，13.8%是從真菌中獲得，2.6%是從病毒中獲得，3%是從植物中獲得，剩下1.6%的來(lái)源未知。
水平轉(zhuǎn)移基因適應(yīng)進(jìn)化成為昆蟲基因組的成員
那么歷經(jīng)幾億年，這些外源基因在昆蟲體內(nèi)為何沒有被清理掉，能夠在昆蟲基因組中扎根？
“我們發(fā)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)移基因伴隨著昆蟲適應(yīng)性進(jìn)化，它的基因結(jié)構(gòu)和功能也隨之變化，在進(jìn)化過程中它們從受體昆蟲基因組中獲得了多次重復(fù)的內(nèi)含子（intron），從而免于被昆蟲清除掉，達(dá)到‘存活’在昆蟲基因組上的目的?！鄙蛐切钦f(shuō)。內(nèi)含子的獲得，一方面使HGT基因的長(zhǎng)度增加，達(dá)到其他昆蟲自身基因的平均長(zhǎng)度，另一方面使得HGT基因的表達(dá)水平上升，有利于更好地發(fā)揮它們的生物學(xué)功能。
“成人之美”揭示昆蟲繁衍的新奧秘
這1410個(gè)水平轉(zhuǎn)移基因，經(jīng)過歲月的沖刷，在昆蟲體內(nèi)到底發(fā)揮了什么作用？于是對(duì)這些水平轉(zhuǎn)移基因開展了功能分析和驗(yàn)證研究，取得了令人振奮的發(fā)現(xiàn)。
黃健華介紹：“我們選擇小菜蛾進(jìn)行基因編輯，一方面是因?yàn)樾〔硕晔菄?guó)際上蔬菜的重大害蟲，對(duì)于甘藍(lán)、白菜、油菜、西蘭花等十字花科作物危害非常大，每年都造成巨大損失。另一方面，團(tuán)隊(duì)近二十年來(lái)一直開展小菜蛾的生物防治研究，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了純合的小菜蛾野生型飼養(yǎng)體系，便于基因功能驗(yàn)證?！?/span>
研究人員首先對(duì)占比最高的水平轉(zhuǎn)移基因包括LOC105383139（蛾類與蝴蝶均獲得該外源基因）開展了系列功能研究。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)獲得了LOC105383139敲除的突變體，發(fā)現(xiàn)從李斯特菌Listeria中獲得的水平轉(zhuǎn)移基因LOC105383139對(duì)雄性小菜蛾成蟲具有特殊作用。
研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，相比較野生型小菜蛾，突變體小菜蛾后代數(shù)量減少了約70%，但是突變體小菜蛾的生長(zhǎng)發(fā)育，如體長(zhǎng)、取食、生殖器官等均未受到影響。那么什么原因?qū)е峦蛔凅w小菜蛾后代數(shù)量急劇減少的呢？研究人員通過行為學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)突變體小菜蛾雄蟲對(duì)雌蟲的求偶欲望顯著地降低了，也就是說(shuō)，一旦缺少這個(gè)基因，雄蟲求偶能力就急劇下降。至此，本研究證實(shí)了HGT基因LOC105383139有助于增強(qiáng)雄蟲對(duì)雌蟲求偶行為，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌幫助昆蟲求偶的“成人之美”新機(jī)制。這也是HGT基因影響動(dòng)物求偶行為的首次報(bào)道。
對(duì)于這項(xiàng)研究的前景，沈星星介紹，從蛾類與蝴蝶小菜蛾HGT基因的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了昆蟲繁衍的“新鑰匙”，這對(duì)未來(lái)重要農(nóng)業(yè)害蟲的綠色防控提供了新思路，這種導(dǎo)致昆蟲后代數(shù)量急劇降低的機(jī)制，對(duì)于尋找害蟲控制的新靶標(biāo)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有重要而深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。
本研究還提供了高質(zhì)量的昆蟲HGT基因資源庫(kù)，這些資源將有助于其他研究者開展昆蟲水平轉(zhuǎn)移基因的生物學(xué)功能研究。此外，本研究發(fā)現(xiàn)的HGT基因進(jìn)化模式也為生物學(xué)、生物多樣性等研究提供了重要的新視角。
該研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（32071665、32172467、31772522、31920103005）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2021FZZX001-31）等經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014
(文 柯溢能/圖片由受訪人提供)
