Cell | 浙江大學(xué)昆蟲科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)移基因增強(qiáng)雄性昆蟲求偶行為
2022年7月18日，浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院聯(lián)合范德堡大學(xué)在Cell期刊在線發(fā)表題為“HGT is widespread in insects and contributes to male courtship in lepidopterans”的研究論文。該研究系統(tǒng)性地解析了昆蟲綱水平轉(zhuǎn)移基因的分布、命運(yùn)，以及功能，研究結(jié)果有助于深入理解昆蟲生物多樣性的產(chǎn)生模式。
昆蟲起源于約4.8億年前，是地球上最繁盛的動(dòng)物類群，已被描述種超過100萬，占所有動(dòng)物物種50%以上。這個(gè)古老的動(dòng)物類群在發(fā)育、行為、社會(huì)性、生態(tài)等方面展現(xiàn)出豐富的多樣性。水平基因轉(zhuǎn)移（Horizontal gene transfer: HGT）是指跨不同物種直接進(jìn)行基因水平傳遞（圖1）。那么，豐富多樣的昆蟲體內(nèi)存在多少HGT基因？昆蟲如何獲得“飛來”的外源基因？這些基因?qū)ハx生存具有什么生物學(xué)意義？
圖1：水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）示意圖
?蝴蝶和蛾獲得最多數(shù)量水平轉(zhuǎn)移基因
結(jié)合218個(gè)高質(zhì)量的昆蟲基因組以及HGT高通量篩選算法，研究人員鑒定到1410個(gè)HGT基因（圖2）。平均而言，鱗翅目（蝴蝶和蛾）獲得16個(gè)HGT基因?/?物種，?半翅目（如稻飛虱）獲得13個(gè)HGT基因?/?物種，?鞘翅目（如赤擬谷盜）獲得6個(gè)HGT基因/?物種，膜翅目（如蜜蜂）獲得3個(gè)HGT基因/?物種。?從HGT來源來說，79%的HGT基因是從細(xì)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。
圖2：水平基因轉(zhuǎn)移在218昆蟲中分布
內(nèi)含子獲得事件改變了水平轉(zhuǎn)移基因的命運(yùn)
為了解析HGT在昆蟲體內(nèi)的命運(yùn)，基于昆蟲HGT基因和供體中的對應(yīng)基因的比較基因組學(xué)研究，研究發(fā)現(xiàn)：HGT基因水平轉(zhuǎn)移到昆蟲基因組后，伴隨著演化過程積累變異，許多HGT基因中會(huì)插入昆蟲自身來源的序列。這些序列往往帶有表達(dá)調(diào)控功能，并促使HGT基因高水平表達(dá)。更重要的是，越早獲得HGT基因，它的基因結(jié)構(gòu)與昆蟲自身基因的結(jié)構(gòu)越相似。這兩個(gè)結(jié)果充分地說明：HGT基因伴隨著昆蟲適應(yīng)性演化，它的基因功能和結(jié)構(gòu)伴隨著變化，從而免于被昆蟲清除掉，達(dá)到“存活”在昆蟲基因組上的目的（圖3）。
??圖3：水平轉(zhuǎn)移基因命運(yùn)假說
蝴蝶和蛾獲得增強(qiáng)求偶行為的水平轉(zhuǎn)移基因
? ? ? 進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)蝴蝶和蛾均從李斯特菌Listeria中獲得同一個(gè)水平轉(zhuǎn)移基因LOC105383139。基于基因編輯技術(shù)，研究人員把十字花科重要農(nóng)業(yè)害蟲小菜蛾的水平轉(zhuǎn)移基因LOC105383139進(jìn)行敲除研究后，?驚訝地發(fā)現(xiàn)：相比較野生型小菜蛾，?突變體小菜蛾后代數(shù)目少了約70%，但是突變體的生長發(fā)育（如體長、進(jìn)食、運(yùn)動(dòng)、生殖器官等）均未受到影響。通過行為學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)突變體雄蟲對雌蟲的求偶欲望顯著地降低。說明蝴蝶和蛾HGT基因LOC105383139有助于增強(qiáng)雄蟲對雌蟲求偶行為（圖4）
??圖4：水平轉(zhuǎn)移基因增強(qiáng)雄蟲對雌蟲求偶行為
本研究為昆蟲提供了高質(zhì)量的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(zhuǎn)移基因的生物學(xué)功能研究。此外，本研究發(fā)現(xiàn)的HGT基因演化模式也為昆蟲生物科學(xué)、農(nóng)業(yè)害蟲防治、以及昆蟲生物多樣性提供了重要的新視角。
浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院研究生李楊、劉志國、劉超為共同第一作者，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院百人計(jì)劃研究員沈星星、百人計(jì)劃研究員黃健華、范德堡大學(xué)Antonis Rokas教授為共同通訊作者。感謝浙江大學(xué)陳學(xué)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。該研究受到了國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（32071665、32172467、31772522、31920103005）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2021FZZX001-31）等經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.014
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