植食性昆虫受益于水平基因转移,提高昆虫对宿主毒性代谢产物的抗性!

科技工作者之家 2021-08-06

基因水平转移(Horizontal gene transfer,HGT),又称水平基因转移或基因侧向转移(lateral gene transfer,LGT),指生物将遗传物质传递给其他细胞而非其子代的过程。有证据表明,水平基因转移在真核生物中相对普遍,这与之前的观点不同。例如,今年3月份中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队在Cell杂志发表论文,揭示了:烟粉虱利用植物来源的基因BtPMaT1在中肠解毒植物酚糖的机制。

近日,印度国家植物基因组研究所的科学家Manoj Prasad 在Trends in Plant Science发表了题为“Insect herbivores benefit from horizontal gene transfer”的综述文章。

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该文章首先讲述HGT研究在在原核生物中的快速进展。HGT首次被观察到是在弗雷德里克·格里菲斯(Frederick Griffith)于1928年进行的开创性实验中,当时他证明了肺炎球菌菌株之间的毒性可以传递。后来,Tatum和Lederberg为细菌转化的发生提供了确凿的证据,他们证实了两种不同的大肠杆菌菌株的混合产生了具有双亲特征的后代。但HGT并不局限于原核生物,一些证据也指向真核生物中的HGT。下一代测序(NGS)技术的出现,加上大规模基因组数据的可用性,已经成为在若干真核生物分类中发现HGT的支柱。

接着作者讲述植物与植食性昆虫之间的HGT。4亿年来,植物与植食性昆虫一直在斗智斗勇。面对植食性昆虫的威胁,植物们进化出了各种各样的自我保护机制,典型的便是分泌各种各样的次生代谢物。在这之中,最常见的次级代谢物莫过于酚糖苷(Phenolic Glycosides)了。植物中存在的酚糖丙二酰基转移酶(PMaT)能够将丙二酸辅酶A的丙二酰基转移到酚糖苷上,从而不对植物产生影响。利用生物信息学和分子生物学的方法,发现在烟粉虱基因组存在一个酚糖丙二酰基转移酶基因BtPMaT1,该基因具备丙二酰基转移酶的保守结构域(PTHR31625)。同源基因进化分析进一步发现,该基因为植物源的水平转移基因,且该基因在烟粉虱的成虫中肠中特异性表达。

在先前的研究中也发现了昆虫从细菌获得降解咖啡豆的基因。咖啡果小蠹(Hypothenemus hampei)是一种吃咖啡豆的害虫,来自哥伦比亚国家咖啡研究中心 Cenicafé的研究人员与美国康奈尔大学植物生物学家Jocelyn Rose在咖啡果小蠹肠道中鉴定出一种类似于甘露聚糖酶(mannanase)的蛋白酶HhMAN1。研究人员通过仔细地测序HhMAN1两侧的序列证实HhMAN1不是因为肠道细菌污染而引入进来的。而且该基因两侧的序列区域是真核生物转座子(能够在整个基因组跳跃的DNA片段),而不是细菌序列,表明该基因序列不是来自生活于咖啡果小蠹肠道内的细菌。昆虫中已经发现了细菌、真菌和植物起源的基因,这有力地支持了从这些群体到昆虫的HGT事件的发生。

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最后,作者对HGT研究也提出了一些问题:

(i)一般来说,HGT在昆虫或真核生物中的作用机制是什么?与原核生物相比,真核生物中的HGT是一个相对复杂的过程,因为在多细胞生物中生殖细胞和体细胞的物理分离是一个主要的障碍。侧向转移的基因是如何侵入生殖细胞的?

(ii)从原核生物/植物到昆虫的广泛HGTs是否对次级代谢解毒途径的进化有重要贡献?

(iii) HGT事件在杂食性昆虫中是否比在特异食性昆虫中更常见?

(iv)寄主范围窄的害虫是否像H. hampei那样,通过HGT获得基因而发展出专一化?

解决这些问题的未来研究将阐明由HGT事件形成的植物-昆虫关系的进化。随着越来越多的基因组测序,新的横向转移基因将被识别,等待阐明它们在植物-昆虫相互作用中的功能。

原文链接:

https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(21)00185-0#%20

来源:植物科学最前沿

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyOTY2NDYyNQ==&mid=2247520555&idx=6&sn=e93a1f9d7548f9d9c921b9bffd60cf13

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基因 原核生物 HGT

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