植物基因可能幫助粉虱成為主要害蟲

在3500萬至8000萬年前的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一只粉虱落在一片葉子上并開始吸食其甜美的汁液。那頓決定性的大餐提供的不僅僅是糖。一項(xiàng)新研究表明，不知何故，這種植物的一個(gè)基因進(jìn)入了粉虱的基因組，并可能幫助其祖先成為當(dāng)今最臭名昭著的農(nóng)業(yè)害蟲之一。

該基因幫助植物中和并安全儲存它們用來阻止食草動(dòng)物的某些有毒分子。在粉虱(Bemisiatabaci)中，它允許昆蟲以植物群為食，而不受植物界最好的化學(xué)武器之一的影響，研究人員3月25日在Cell上報(bào)告說。這種植物與昆蟲的基因交換是有史以來第二次記錄，也是昆蟲有效征用其“獵物”的遺傳工具箱以對付它們的最明顯例子。

“十年或20年前，沒有人認(rèn)為這種基因轉(zhuǎn)移是可能的，”德國耶拿馬克斯普朗克化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所的化學(xué)生態(tài)學(xué)家RoyKirsch說，他沒有參與這項(xiàng)研究。“基因必須克服許多障礙才能從植物轉(zhuǎn)移到昆蟲，但這項(xiàng)研究清楚地表明它確實(shí)發(fā)生了，并且該基因?yàn)榉凼峁┝撕锰帯?rdquo;

基因交換在細(xì)菌中很常見(SN:10/31/11)，并且偶爾會(huì)發(fā)生在腸道微生物和它們的動(dòng)物宿主之間。這個(gè)過程被稱為水平基因轉(zhuǎn)移，它允許生物體繞過父母對后代遺傳的單調(diào)乏味的性質(zhì)，并立即獲得由幾代自然選擇塑造的基因。但是從植物到昆蟲的基因跳躍，譜系被至少十億年的進(jìn)化分開，以前只被記錄過一次，也是在粉虱中。

粉虱是一種類似蚜蟲的昆蟲，以全球600多種不同的植物為食。有害害蟲的廣泛飲食部分源于它們逃避許多常見植物防御的能力(SN:4/4/19)。在尋找這種能力背后的基因時(shí)，中國的研究人員在三種密切相關(guān)的粉虱物種中偶然發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西——一種叫做BtPMaT1的基因，已知它不存在于植物之外。

有兩種情況可以解釋這種模式。要么該基因出現(xiàn)在植物和昆蟲的共同祖先中，隨后在生命之樹的所有中間分支上被扼殺，要么粉虱以某種方式從植物中獲得了該基因。Kirsch說，由于植物和昆蟲的親緣關(guān)系如此遙遠(yuǎn)，后一種情況“更有可能發(fā)生”。這三種粉虱物種在大約3500萬年前分裂，表明它們在此之前就獲得了基因。但在8000萬年前分化的近親缺乏該基因，這表明轉(zhuǎn)移發(fā)生在那個(gè)窗口內(nèi)。

該基因允許植物通過中和毒素來儲存一種叫做酚苷的常見防御性化學(xué)物質(zhì)，直到食草動(dòng)物開始咀嚼。“酚苷對昆蟲的毒性很大，”該研究的共同作者、瑞士納沙泰爾大學(xué)的化學(xué)生態(tài)學(xué)家和昆蟲學(xué)家TedTurlings說。粉虱可能利用植物解毒基因來耐受植物毒素的可能性吸引了Turlings在中國的同事。

研究人員在實(shí)驗(yàn)室中將一些RNA插入番茄植株中。一旦被粉虱攝入，RNA就會(huì)被設(shè)計(jì)成禁用它們的BtPMaT1基因。然后，該團(tuán)隊(duì)放飛了粉虱。在以五種轉(zhuǎn)基因植物為食一周后，大約2,500只粉虱幾乎全部死亡，而以未改變植物為食的粉虱中只有約20%死亡。Turlings說，如此劇烈的影響表明該基因在幫助粉虱繞過植物防御方面發(fā)揮著重要作用。

植物BtPMaT1究竟是如何進(jìn)入粉虱體內(nèi)的仍然是個(gè)謎。病毒會(huì)意外地在宿主之間穿梭DNA片段，Turlings懷疑這很可能發(fā)生在這里。“這是一個(gè)極其罕見的事件，但當(dāng)你談?wù)摂?shù)十億昆蟲和植物在數(shù)百萬年內(nèi)相互作用時(shí)，它變得更有可能，”他說。水平基因轉(zhuǎn)移可能是“害蟲獲得應(yīng)對植物防御能力的重要機(jī)制”。

9月23日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》(ScientificReports)上的第一個(gè)記錄在案的植物與昆蟲基因交換也發(fā)生在粉虱中，盡管該基因在該交換中的功能尚不清楚。不過，此類事件的兩個(gè)已知例子都發(fā)生在同一種食草昆蟲身上，這可能并非巧合。

“粉虱和它們的植物宿主的生活密切相關(guān)，”達(dá)特茅斯學(xué)院的進(jìn)化微生物學(xué)家ShannonSoucy說，他沒有參與這項(xiàng)研究。她說，持續(xù)的暴露使系統(tǒng)為此類事件做好準(zhǔn)備，最終允許粉虱使用這種植物防御基因來對抗其制造者。

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