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?揭秘雄性昆蟲“戀愛”密碼,浙大成果登《細胞》

發布時間:2022-07-19來源:浙大融媒體中心作者:柯溢能0

昆蟲起源于約4.8億年前,是地球上最繁盛的動物類群,已被描述的種類超過100萬,占所有動物種類的50%以上。這個古老的動物類群在發育、行為、社會性、生態等方面展現出極其豐富的多樣性,是地球上最成功的動物類群。

講到昆蟲的遺傳,一般認為是從父母中直系遺傳得來,但許多微生物在與昆蟲共生時,會悄悄將其基因傳遞給昆蟲。這類跨物種的基因交流,即水平轉移基因(HGT)常常被科學家忽視,那么昆蟲如何獲得“飛來”的外源基因?這些基因對昆蟲生存具有什么樣的影響?

經過多年研究,浙江大學農業與生物技術學院昆蟲科學研究所最新的研究指出,昆蟲基因組內存在大量的水平轉移基因,并發現“飛來”的外源基因對昆蟲求偶起到重要作用。

這項研究于北京時間718日,刊登在國際頂級期刊《細胞》上,浙江大學農業與生物技術學院研究生李楊、劉志國、劉超為共同第一作者,浙江大學農業與生物技術學院沈星星研究員、黃健華研究員、范德堡大學Antonis Rokas教授為共同通訊作者,陳學新教授給予大力支持和幫助,陳云教授、潘榮輝研究員、周文武研究員等也參與本研究。


火眼金睛”精準識別水平轉移基因

經過幾億年的進化,昆蟲到底獲得了多少水平轉移基因?”帶著這個科學問題,研究人員開展了大規模的水平轉移基因的鑒定和篩查。

研究人員對218個高質量的昆蟲基因組開展系統分析和研究,這些昆蟲種類包括多種蝴蝶、蛾類、甲蟲、飛虱、蜜蜂等,并對近50萬個基因樣本進行了大數據分析和篩查?!斑^去也能看到零星水平轉移基因研究,但是如此大規模研究實屬罕見,并且該研究還開發了一種更高精度的篩查算法?!薄都毎芬晃荒涿u審專家指出。

本研究共鑒定獲得1410個外源的水平轉移基因,許多都是首次報道。平均而言,鱗翅目(如小菜蛾、黑脈金斑蝶等)獲得16HGT基因/物種,半翅目(如褐飛虱等)獲得13HGT基因/物種,鞘翅目(如赤擬谷盜等)獲得6HGT基因/物種,膜翅目(如西方蜜蜂等)獲得3HGT基因/物種。從HGT基因來源來說,79%HGT基因是從細菌中獲得,13.8%是從真菌中獲得,2.6%是從病毒中獲得,3%是從植物中獲得,剩下1.6%的來源未知。


水平轉移基因適應進化成為昆蟲基因組的成員

那么歷經幾億年,這些外源基因在昆蟲體內為何沒有被清理掉,能夠在昆蟲基因組中扎根?

我們發現水平轉移基因伴隨著昆蟲適應性進化,它的基因結構和功能也隨之變化,在進化過程中它們從受體昆蟲基因組中獲得了多次重復的內含子(intron),從而免于被昆蟲清除掉,達到‘存活’在昆蟲基因組上的目的?!鄙蛐切钦f。內含子的獲得,一方面使HGT基因的長度增加,達到其他昆蟲自身基因的平均長度,另一方面使得HGT基因的表達水平上升,有利于更好地發揮它們的生物學功能。


成人之美”揭示昆蟲繁衍的新奧秘

1410個水平轉移基因,經過歲月的沖刷,在昆蟲體內到底發揮了什么作用?于是對這些水平轉移基因開展了功能分析和驗證研究,取得了令人振奮的發現。

黃健華介紹:“我們選擇小菜蛾進行基因編輯,一方面是因為小菜蛾是國際上蔬菜的重大害蟲,對于甘藍、白菜、油菜、西蘭花等十字花科作物危害非常大,每年都造成巨大損失。另一方面,團隊近二十年來一直開展小菜蛾的生物防治研究,在實驗室內建立了純合的小菜蛾野生型飼養體系,便于基因功能驗證?!?/span>

研究人員首先對占比最高的水平轉移基因包括LOC105383139(蛾類與蝴蝶均獲得該外源基因)開展了系列功能研究。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術獲得了LOC105383139敲除的突變體,發現從李斯特菌Listeria中獲得的水平轉移基因LOC105383139對雄性小菜蛾成蟲具有特殊作用。

研究人員驚奇地發現,相比較野生型小菜蛾,突變體小菜蛾后代數量減少了約70%,但是突變體小菜蛾的生長發育,如體長、取食、生殖器官等均未受到影響。那么什么原因導致突變體小菜蛾后代數量急劇減少的呢?研究人員通過行為學實驗進一步驗證,發現突變體小菜蛾雄蟲對雌蟲的求偶欲望顯著地降低了,也就是說,一旦缺少這個基因,雄蟲求偶能力就急劇下降。至此,本研究證實了HGT基因LOC105383139有助于增強雄蟲對雌蟲求偶行為,發現了細菌幫助昆蟲求偶的“成人之美”新機制。這也是HGT基因影響動物求偶行為的首次報道。



對于這項研究的前景,沈星星介紹,從蛾類與蝴蝶小菜蛾HGT基因的研究中,我們發現了昆蟲繁衍的“新鑰匙”,這對未來重要農業害蟲的綠色防控提供了新思路,這種導致昆蟲后代數量急劇降低的機制,對于尋找害蟲控制的新靶標和關鍵環節具有重要而深遠的現實意義。

本研究還提供了高質量的昆蟲HGT基因資源庫,這些資源將有助于其他研究者開展昆蟲水平轉移基因的生物學功能研究。此外,本研究發現的HGT基因進化模式也為生物學、生物多樣性等研究提供了重要的新視角。

該研究受到了國家自然科學基金委面上項目和國際合作重點項目(32071665、32172467、31772522、31920103005)、中央高?;究蒲袠I務費專項(2021FZZX001-31)等經費支持。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014

(文 柯溢能/圖片由受訪人提供)



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