偷来的基因让它们变得更强了

寄生植物菟丝子利用宿主植物提供的水分和营养，生长到宿主的维管组织中。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚理工大学的研究人员进行的一项新研究显示，寄生植物菟丝子从宿主身上窃取了大量的遗传物质，包括100多个功能基因。这些偷来的基因有助于菟丝子抓住宿主并从宿主那里偷取营养物质，甚至将基因武器送回宿主体内。这项新研究发表在2019年7月22日的《自然·植物》杂志上。

宾夕法尼亚州立大学生物学教授、该研究的通讯作者Claude dePamphilis说：“水平基因转移，即基因物质从一个有机体转移到另一个物种的基因组，在微生物中非常常见，是细菌获得抗生素耐药性的主要途径。但在像植物这样的复杂生物体中，我们没有看到太多水平基因转移的例子，即使我们看到了，转移的基因材料通常也不会被使用。而在这项研究中，我们找到了迄今为止在复杂生物体中发现的最具戏剧性的功能基因水平转移案例。”

像菟丝子这样的寄生植物不能通过光合作用产生能量而独立生存。相反，它们利用一种叫做吸器的结构来获取宿主植物的水分和营养。菟丝子将自己包裹在宿主植物周围，生长在它们的维管组织中。菟丝子经常同时寄生于多种不同的植物，包括野生植物以及那些具有农业和园艺价值的植物。

dePamphilis说：“寄生植物与宿主的关系非常密切，它们能从宿主中获取营养。但在这个过程中，它们也会获得遗传物质，有时会把这些物质整合到自己的基因组中。以前的研究主要集中在单个转移基因上。在这里，我们使用基因组规模的基因表达数据集来确定通过水平基因转移而来的大量遗传物质是否真的被寄生植物使用了。”

研究小组鉴定了108个基因，这些基因通过水平转移进入到菟丝子的基因组中，现在似乎在发挥作用，贡献到了菟丝子的吸器结构、防御反应和氨基酸代谢过程中。一个被窃取的基因甚至会产生被称为microRNA的小片段RNA，这些RNA会被送回宿主植物中，充当武器，抑制宿主的防御基因。

菟丝子是一种已知的野生寄生植物，可以同时寄生在多个不同的植物宿主上。 

研究团队使用了非常严格的标准来确定这些偷来的遗传物质是否在发挥功能：基因必须完整，必须包含所有的必要部分，必须能够转录成RNA然后形成蛋白质，并在相关的结构中表达。该团队还探索了这些转移基因的进化，作为对功能研究的额外支持。

dePamphilis说：“我们将一个基因的序列与密切相关的基因进行比较，然后寻找该序列进化过程中的特征，以判断它是否可能具有功能。基因中的某些突变不会影响基因编码的蛋白质，因此也不会影响基因的功能。我们看到了大量的这类突变，而非可能改变或破坏基因功能的突变，这强有力地表明自然选择的作用是保持蛋白质的完整和功能。”

在偷来的108个基因中，有18个出现在所有菟丝子物种中，表明这些基因最初是由菟丝子的祖先偷来的，并保存在现代物种中。dePamphilis说：“这是首次有研究表明，水平基因转移发生在寄生植物群体进化的早期。在这种情况下，这些基因中有18个存在于所有现存菟丝子物种的共同祖先中，这可能有助于这些寄生植物的成功传播。”

新的研究表明，菟丝子通过水平基因转移，从宿主体内窃取了100多个功能基因。这些基因有助于菟丝子抓住并窃取宿主的营养物质，甚至将基因武器送回宿主体内。

研究小组还发现菟丝子基因组中有42个区域似乎是水平基因转移的结果，但没有任何功能基因。dePamphilis说：“由于如此大量的遗传物质是通过水平基因转移而来的，我们怀疑寄生植物无法过滤进来的物质。但自然选择正在帮助保留有用的基因，并过滤掉不那么有用的部分。”

研究人员目前正在研究遗传物质是如何从宿主转移到寄生植物身上的。他们还想探索这种转移是单行道，还是宿主也可以从寄生植物身上获得遗传物质。“我们很想知道水平基因转移到底有多广泛。”dePamphilis说，“我们只观察了一种菟丝子，它只是4000多种寄生植物中的一种。功能基因的水平转移在其他物种中是否也会以同样的程度发生？在非寄生植物中可能吗？在其他复杂的生物体中呢？这可能只是冰山一角。”

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编译：花花 

审稿：三水  

责编：张梦

期刊来源：《自然·植物》

期刊编号：2055-026X

原文链接：

https://phys.org/news/2019-07-parasitic-stolen-genes-parasites.html

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