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当你赖以为生的食物有毒,怎么办？是选择放弃还是夺得解药？

数千万年前,面对有毒植物,烟粉虱(Bemisia tabaci)成功窃取了植物的“解药配方”。自此,它们不惧植物毒素,大吃四方,食谱扩展到全球600多种不同植物,成为了植物最讨厌昆虫之一。

2021年4月1日,在《细胞》(Cell)的封面文章中,中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队揭示了烟粉虱通过窃取本属于植物的解毒基因,获得对植物毒素的抗性,这是科学家首次发现动物通过基因水平转移,窃取并使用植物的基因。

植物昆虫攻防战

故事还要追溯到4亿年前,植物被食草昆虫啃食的一刻。

为了防止被吃,植物想尽办法防御,进化出了坚硬的树皮和蜡质的角质层,以及或坚硬或密集的刺。但如果食草昆虫突破了这些屏障,植物该怎么办呢？

对此,植物进化出了次生代谢产物来进行生化防御,其中最丰富的一类就是酚苷,可以影响食草昆虫的生长、发育和行为。但酚苷也会让植物自己中毒,好在植物自己配有解毒剂--酚苷丙二酰转移酶,这个酶可以将丙二酰基团连接到酚苷上,改变酚苷的结构,解除毒性。这样,植物就可以把酚苷安全储存在自己身体里了。

这本是一个非常巧妙的方法,可百密一疏,最重要的解毒剂配方,编码酚苷丙二酰转移酶的基因BtPMaT1,却被蚜虫的亲戚,体长不过1毫米的小虫--烟粉虱,偷走放进了自己的基因组中,世代传承。

研究者发现,烟粉虱不仅偷走了植物的解毒剂配方,还熟练掌握了制作工艺并充分使用。因此,当植物再次利用特定酚苷来对抗虫害时,烟粉虱就能用上植物的解药化解酚苷,完全不会受到任何影响。

如何确认基因是“偷”的？

烟粉虱这种跨物种窃取基因的行为,在生物学上称为基因水平转移。

基因水平转移看似有悖父母遗传给后代的常理,却并不稀奇。在微生物界,窃取基因就是常规操作,这也是为什么一旦一种细菌产生了抗药基因,很快就会传播到其他的细菌中。

而植物或动物偷到微生物基因的案例相对少一些,因为整个过程复杂很多,外部的基因要进入细胞核,整合到基因组中,并产生相应的功能,还得进入生殖细胞才能传承。

即便如此,也有不少成功者,比如咖啡果小蠹(Hypothenemus hampei),就偷到了细菌的HhMAN1基因,获得了从难以消化的植物细胞壁提取更多营养的能力。

植物与动物间的基因水平转移就更少了。甚至直到这篇论文之前,人们从未观察到过。

一方面,植物与动物间的基因传递更为复杂；另一方面,要证明基因水平转移也着实不易,因为能够发生基因水平转移的物种,必然存在非常密切的关系,实验中要将两者的遗传物质彻底区分非常困难。

对于烟粉虱来说,研究者必须提供两个证据：一是证明基因确实是从植物中来,另一点要证明不是实验中植物寄主的污染。

在最新的研究中,研究人员观察了烟粉虱偷到的解毒剂配方--BtPMaT1的序列,发现确实跟植物基因组中的原版配方非常接近,而在其他节肢动物基因组中却完全没有。进一步的进化分析也确证了这确实是来源于植物的配方。

为了证明检测到的序列不是源于污染,研究人员观察了烟粉虱BtPMaT1序列两侧的序列,发现周围是两个典型的节肢动物基因,说明这个解毒剂配方真的被写进烟粉虱的基因组中了。而不管身在何方,吃了什么食物的烟粉虱,都会产生解毒剂。基于这些证据,研究人员确定这个基因不是污染,而确实是被烟粉虱通过基因水平转移 “偷到了手”。

尽管证明了基因水平转移,但烟粉虱是否真的能把解毒剂派上用场？

对此,研究人员对烟粉虱的卵、若虫和成虫,以及成虫的头部、胸部、腹部、非肠组织、肠组织等各部位都进行了检测,发现烟粉虱在所有发育阶段和组织中均会产生解毒剂,足见其对烟粉虱的重要性。而且,解毒剂在肠道中表达最为高,表明其对烟粉虱吃下的食物起到了解毒作用。

但烟粉虱究竟是如何窃取了植物的BtPMaT1基因的？研究并未得出解答,研究人员推测这可能是通过某种病毒作为媒介达成的。

以彼之道,还施彼身

烟粉虱是一个物种复合体,包含30个以上形态上无法区分的物种。它虽然体型很小,却已经成为全球危害最大的害虫之一。

烟粉虱对植物的危害是多方面的。烟粉虱若虫从卵孵化后,数小时内就开始了吸食植物的一生。若虫和成虫常常大量聚集在叶片背面,用针状的刺吸式口器刺入植物韧皮部内吸食植物的汁液,给植物造成直接伤害。

不仅如此,和它的亲戚蚜虫一样,烟粉虱会分泌大量的蜜露,刺激霉菌生长。最可怕的是,烟粉虱还能携带超过100种植物病毒,导致植物患病。

从前,如何防治烟粉虱是世界性难题,但有了现在的发现,人们可以针对烟粉虱偷到的解毒剂来考虑对策。实验中,研究人员使用RNA干扰技术阻止烟粉虱生产解毒剂。失去了解毒剂的保护,烟粉虱成虫吃下某些酚苷后的死亡率果然上升了。

随后,研究人员又使用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS),让烟粉虱爱吃的番茄叶片可以进行RNA干扰,吃了这些番茄叶片的烟粉虱成虫同样死亡率上升,繁殖力下降。

研究人员还进一步制作了转基因番茄,这种番茄可以自己表达BtPMaT1基因的发夹状RNA,使烟粉虱的解毒剂失效,在半田间实验中造成了很高的烟粉虱死亡率。当然,这个结果真正的应用还有待于更深入的实验,来确保转基因对番茄本身和其他生物,尤其是传粉昆虫没有影响。

在过去的千万年中,植物在与烟粉虱的对抗中逐渐失守。或许在不久的将来,它们中的一些将在人类的帮助下,反败为胜。