从植物到昆虫的一次基因转移，让超级害虫危害人间

“超级害虫” 烟粉虱。｜Wiki

作者｜汤波 分子生物学博士

编辑｜陈天真

在自然界，植物需要对抗的不是僵尸，而是各种有害昆虫。昆虫想吃植物，但植物不想被昆虫吃掉，于是漫长的生命演化过程中，植物和昆虫积极进行着军备竞赛，发展各种防御和进攻策略，有时甚至不惜成为基因窃贼。

比如，数千万年前，当“超级害虫” 烟粉虱落在植物叶片上吮吸甜美汁液时，可能意外地“窃取”了植物的一种强大基因，从而让自己获得了抵御植物毒素的武器，从此肆无忌惮地危害人间……

基因的奇幻漂流

说起基因遗传，我们熟悉的是，它携带着生命体的种种特征，从上一代垂直传递到下一代。

然而如果将漫长的生命演化历史看过一条河流，基因其实并不是简单地顺流而下，而是会时不时纵横交错，打破亲缘关系的界限，经历一场奇幻漂流，从病毒进入细菌，在各种细菌之间流窜，从病毒、细菌转移到更复杂的生命体...... 这个过程被称为水平基因转移。

基因通常是从上一代垂直传递到下一代，但也可以跨越不同生物个体，发生水平转移。｜维基百科

对于细菌这样的原核生物而言，其DNA没有包裹在细胞核中，而是游离在细胞内，水平基因转移简直是家常便饭，大约80%的基因都曾频繁转移。

它们可以直接吸收另一种细菌的基因，可以通过病毒导入外源基因，还可以彼此结合交换基因。一般来说，除了一些对细菌生存至关重要的基因（比如负责基因表达、转录和翻译的基因）不容易发生转移外，其他功能性基因很容易开启一趟漂流之旅。

对于包括动物、植物、真菌在内的真核生物而言，DNA被禁锢在细胞核内，基因水平转移没那么常见，但也并非新鲜事。基因仍然会不时从病毒、细菌或真菌“漂流”到动植物基因组中赖着不走。

比如科学家发现，一种叫做蛭形轮虫的微小无脊椎动物，竟然含有大约10%的“外源”基因，它们大多来自细菌和真菌。豌豆蚜虫曾经从真菌中获得一种基因，使其原本绿色的外表变成了红色，以躲避天敌。小麦的近缘植物长穗偃麦草则因为获得了一个真菌基因，对赤霉病具有更强抗性。

与之相比，基因在真核生物之间的转移则相对罕见。不过最近，科学家发现，进化历程至少相隔10亿年的植物和昆虫之间，竟然曾克服重重障碍，进行了一场基因层面的角逐。

基因会从病毒、细菌、真菌转移到动植物的基因组中。｜Cell

植物和昆虫的基因大战

植物和昆虫之间的之间的战争是一场斗智斗勇的军备竞赛。很多植物为了防御昆虫进攻，会分泌防御毒素，让昆虫得不到好果子吃，甚至命丧黄泉。酚糖苷正是这样一种“毒药”。

不过冤家路窄，面对“超级害虫” 烟粉虱，这种毒药却全无用武之地。全世界的烟粉虱大概有30多种，它们会刺吸植物汁液，同时分泌黏糊糊的蜜露，滋生霉菌，更能传播300余种病毒，危害600多种植物，每年在全球造成数十亿美元的经济损失，被联合国粮农组织认定为世界第二大害虫。

小小的烟粉虱为何如此强悍？中国农业科学院蔬菜花卉研究所的科学家经过20年的研究后发现，这是因为烟粉虱能分泌一种酶来化解植物中酚糖苷的毒性。一旦对植物进行基因改造，抑制这种酶的合成，烟粉虱在咀嚼植物叶片大快朵颐之后，基本就会全军覆没。

更有意思的是，烟粉虱的武器很可能恰恰来自植物自身。俗话说，伤敌一千，自损八百，“毒药”不仅对外敌有害，对植物本身也不利，所以植物首先创造出“解药”为自己化解毒性。后来烟粉虱或许是在进食过程中，意外地 “偷”来了植物基因，结果靠着“以子之矛，攻子之盾”的策略，轻松瓦解了植物的防御体系，从此烟粉虱的子子孙孙都可以舒舒服服当“吃货”。

这项成果于3月25日发表在国际著名学术期刊《细胞》上，第一次确切表明了植物向昆虫的水平基因转移，同时也启发我们，或许可以通过特定方式改造植物基因，赶走烟粉虱，且不伤害授粉的有益昆虫。

“超级害虫”烟粉虱很可能是 “偷”来植物基因为己所用。｜Getty

每个生命都是众多基因的汇流

其实，不止细菌、真菌，也不止植物、昆虫，包括我们人类自己在内的每种生命，在进化过程中都可能接纳来自其它物种的基因，也能将自身的基因传递给其他物种。从这个意义上说，每一个生命都是众多基因的汇流。

而且时至今日，生命的基因河流仍然充满着流动性。剑桥大学的一项研究发现，线虫体内有超过300个基因来源于水平转移，果蝇有60个以上，就连灵长类动物也有200个以上这样的基因。这种水平基因转移不仅发生在物种进化早期，线虫和果蝇现在仍然非常乐意接受外来基因，相对而言，灵长类动物则安分得多，很少接受外来基因“定居”。

每一个生命都是众多基因的汇流，人体内也有来自其他生物的基因。｜Science

不过，这并不意味着人类的基因河流是静止的。自人类基因组计划实施以来，科学家在人类基因组中发现了大量远古逆转录病毒的基因片段，最高可占到人类基因组的8%。很可能是远古病毒感染了人类祖先，将基因片段留存了下来，经过数千万年的积累，逐渐成为灵长类动物及人类基因组的重要组成部分。

今天，人类和病毒、细菌之间的基因交流仍在持续进行，这个过程充满凶险，却也可能让我们获得生存和进化的优势，推动生命不断演化。

今日荐书

万分之一的基因差异，百分百不同的生命故事。认识基因背后的真实，才能帮助打破基因束缚的枷锁。《基因组：生命之书23章》，一本人类与基因的故事。

参考资料

[1]J. Xia et al. Whitefly hijacks a plant detoxification gene that neutralizes plant toxins. Cell. Published online March 25, 2021. doi: 10.1016/j.cell.2021.02.014.

[2]W.J. Lapadula, M.L. Mascotti and M.J. Ayub. Whitefly genomes contain ribotoxin coding genes acquired from plants. Scientific Reports. Vol. 10, September 23, 2020. doi: 10.1038/s41598-020-72267-1.

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00782-w

[4]https://www.sciencenews.org/article/whitefly-plant-gene-transfer-pest-biology-chemical-toxin

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