基因跨物种交流 细菌能“教会”昆虫恋爱技巧

洪恒飞 柯溢能 科技日报报记者 江耘

昆虫的遗传，通常被认为是从父母中直系遗传得来，但许多微生物在与昆虫共生时，会悄悄将自身基因传递给昆虫。这类跨物种的基因交流，即水平转移基因（HGT）得到进一步证实。

图为蔬菜害虫小菜蛾。 研究团队供图

7月18日，《细胞》杂志刊登了浙江大学农业与生物技术学院昆虫科学研究所一项最新研究。该研究指出昆虫基因组内存在大量的水平转移基因，“飞来”的外源基因对昆虫求偶起到重要作用，并首次证实水平转移基因LOC105383139有助于增强雄虫对雌虫求偶行为，发现了细菌帮助昆虫求偶的“成人之美”新机制。

筛查获得1410个水平转移基因

昆虫起源于约4.8亿年前，是地球上最繁盛的动物类群，已知种类超过100万种，占所有动物种类的50%以上。这个古老的动物类群在发育、行为、社会性、生态等方面展现出极其丰富的多样性，是地球上最成功的动物类群。

经过几亿年的进化，昆虫到底获得了多少水平转移基因？带着这一疑问，研究团队开展了大规模的水平转移基因的鉴定和筛查，具体对218个高质量的昆虫基因组开展系统分析和研究。

“涉及研究的昆虫种类包括多种蝴蝶、蛾类、甲虫、飞虱、蜜蜂等。”该论文通讯作者、浙江大学农业与生物技术学院沈星星研究员介绍，为这项研究，团队开发了一种高精度的筛查算法，并对近50万个基因样本进行了大数据分析和筛查。

经过分析筛查，这项研究共鉴定获得1410个外源的水平转移基因，许多都是首次揭示。分析结果显示，从水平转移基因来源来说，79%的水平转移基因是从细菌中获得，13.8%是从真菌中获得，2.6%是从病毒中获得，3%是从植物中获得，剩下1.6%的来源未知。

“平均而言，鳞翅目（如小菜蛾、黑脉金斑蝶等）获得16个HGT基因/物种，半翅目（如褐飞虱等）获得13个HGT基因/物种，鞘翅目（如赤拟谷盗等）获得6个HGT基因/物种，膜翅目（如西方蜜蜂等）获得3个HGT基因/物种。” 该论文通讯作者、浙江大学农业与生物技术学院黄健华研究员介绍。

这1410个水平转移基因，经过岁月的冲刷，为何没有被清理掉，反倒能够在昆虫基因组中扎根？在昆虫体内究竟发挥了什么作用？研究团队对这些水平转移基因开展进一步的功能分析和验证研究后，取得了令人振奋的发现。

细菌基因在昆虫体内适应进化

研究团队发现，水平转移基因伴随着昆虫适应性进化，它的基因结构和功能也随之变化，在进化过程中它们从受体昆虫基因组中获得了多次重复的内含子，从而免于被昆虫清除掉，达到“存活”在昆虫基因组上的目的。

所谓内含子，是阻断基因线性表达的序列，被认为是产生新基因的温床。沈星星说，内含子的获得，一方面使水平转移基因的长度增加，达到其他昆虫自身基因的平均长度，另一方面使得水平转移基因的表达水平上升，有利于更好地发挥它们的生物学功能。

“团队近二十年来一直开展小菜蛾的生物防治研究，在实验室内建立了纯合的小菜蛾野生型饲养体系。” 黄健华介绍，小菜蛾是国际普遍认定的蔬菜类重大害虫，对于甘蓝、白菜、油菜、西兰花等十字花科作物危害非常大。此次研究中，也选择小菜蛾进行基因编辑，便于基因功能验证。

此次研究中，研究人员发现，水平转移基因LOC105383139在蛾类与蝴蝶小菜蛾中占比颇高，并对此开展了系列功能研究，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得了LOC105383139敲除的突变体，发现从李斯特菌中获得的水平转移基因LOC105383139对雄性小菜蛾成虫具有特殊作用。

“我们发现，相比较野生型小菜蛾，突变体小菜蛾后代数量减少了约70%，但是突变体小菜蛾的生长发育，如体长、取食、生殖器官等均未受到影响。”沈星星表示。

研究人员通过行为学实验进一步验证，发现突变体小菜蛾雄虫对雌虫的求偶欲望显著地降低了，也就是说，一旦缺少这个基因，雄虫求偶能力就急剧下降。

对于这项研究的前景，沈星星介绍，从蛾类与蝴蝶小菜蛾水平转移基因的研究中，团队发现了昆虫繁衍的“新钥匙”。这种导致昆虫后代数量急剧降低的机制，对于寻找害虫控制的新靶标和关键环节具有重要而深远的现实意义。

此外，该研究还提供了高质量的昆虫水平转移基因资源库，有助于其他研究者开展昆虫水平转移基因的生物学功能研究，新发现的水平转移基因进化模式也为生物学、生物多样性等研究提供了新的视角。