寄生植物利用被盜基因使其成為更好的寄生蟲

D絲子植物（股票圖像）。

圖片來源：?simona / Adobe Stock

一些寄生植物從寄主植物中偷取遺傳物質，並利用被盜基因更有效地吸收宿主的營養物質。由賓夕法尼亞州立大學和弗吉尼亞理工大學的研究人員領導的一項新研究表明，寄生植物d絲子從宿主身上偷走了大量的遺傳物質，包括100多種功能基因。這些被盜的基因有助於d絲子抓住並偷走宿主的營養物質，甚至將遺傳武器送回宿主。這項新研究於2019年7月22日刊登在Nature Plants雜誌上。

「水平基因轉移，遺傳物質從一種生物體進入另一物種的基因組，在微生物中非常常見，是細菌獲得抗生素抗性的主要途徑，」賓夕法尼亞州立大學生物學教授Claude dePamphilis說。該研究的作者。「我們沒有看到許多像植物這樣的複雜生物中水平基因轉移的例子，當我們看到它時，轉移的遺傳物質一般不被使用。在這項研究中，我們提出了功能水平基因已知的最具戲劇性的案例在複雜的生物體中發現的轉移。「

像d絲子這樣的寄生植物不能通過光合作用產生能量而獨立生存。相反，他們使用稱為haustoria的結構來利用宿主植物的水和養分供應。D絲子在其宿主植物周圍包裹，生長到其血管組織中，並且通常一次餵食多個植物。它可以寄生許多不同的物種，野生植物以及農業和園藝重要的物種。

dePamphilis說：「寄生植物與宿主非常密切地生活在一起，提取養分。」 「但是他們也在這個過程中獲得了遺傳物質，有時他們將這些物質整合到他們的基因組中。之前的研究集中在單個轉移的基因上。在這裡，我們使用基因組規模的基因表達數據集來確定是否有大量遺傳物質進入通過水平基因轉移實際上正在使用。「

該研究小組確定了108個通過水平基因轉移添加到d絲子基因組中的基因，現在似乎在寄生蟲中起作用，有助於吸收結構，防禦反應和氨基酸代謝。一個被盜的基因甚至會產生一小段RNA，稱為微小RNA，被送回宿主植物，充當可能在沉默宿主防禦基因中發揮作用的武器。

該團隊使用嚴格的標準來確定被盜遺傳物質是否可能具有功能性：基因必須是全長的，它們必須包含基因的所有必需部分，它們必須轉錄成後來構建的RNA序列蛋白質，它們必須在相關結構中表達。該團隊還探索了這些轉移基因的進化，作為對功能的額外支持。

「我們將一個基因的基因序列與密切相關的基因進行比較，並尋找一個特殊的特徵簽名來說明該序列如何演變以判斷它是否可能起作用，」dePamphilis說。「基因中的某些突變不影響基因編碼的蛋白質，因此不影響基因的功能。當我們看到大量的這類突變時，與可能改變或破壞基因功能的突變相反，有力的證據表明，自然選擇有助於保持蛋白質完整和有用。「

108種基因中有18種出現在所有d絲子物種中，這表明這些基因最初是由祖先形式的d絲子偷走並保存在現代物種中。

dePamphilis說：「這是任何研究首次發現水平基因轉移發生在寄生蟲群進化早期的證據」。「在這種情況下，這些基因中的18個存在於所有活體d絲子物種的共同祖先中，這可能有助於這些寄生蟲的成功傳播。」

該團隊還確定了d絲子基因組中的42個區域似乎是由水平基因轉移引起的，但沒有任何功能基因。

dePamphilis說：「因為大量的遺傳物質已通過水平基因轉移而來，我們懷疑寄生植物無法過濾所產生的物質。」 「但是，自然選擇有助於維持有用的基因，並過濾掉不太有用的部分。」

研究人員目前正在研究遺傳物質如何從宿主轉移到寄生蟲。他們還想探討這種轉移是否是單行道，或者宿主是否可以從其寄生蟲中獲取遺傳物質。

「我們很想知道水平基因轉移究竟有多廣泛，」dePamphilis說。「我們只研究了一種d絲子，它只是4000多種寄生植物中的一種。功能基因的水平基因轉移是否在其他物種中發生相同的程度？是否可能在非寄生植物中？複雜的生物？這可能是冰山一角。「

除了dePamphilis，研究團隊還包括第一作者，研究時在賓夕法尼亞州立大學植物生物學研究生課程的研究生Zhenzhen Yang，以及賓夕法尼亞州立大學的研究人員Eric Wafula，Saima Shahid，Joel McNeal，Paula Ralph， Prakash Timilsina，Wen-bin Yu，Elizabeth Kelley，Huiting Zhang，Thomas Nate Person，Naomi Altman和Michal Axtell; 和弗吉尼亞理工大學的研究人員Gunjune Kim和共同通訊作者James Westwood。這項工作部分由國家科學基金會和美國農業部資助。國家食品和農業研究所，賓夕法尼亞州立大學生物學系和賓夕法尼亞州哈克生命科學研究所提供了額外的支持。

（來源：賓州州立大學）

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