一些寄生植物从寄主植物中偷取遗传物质，并利用被盗基因更有效地吸收宿主的营养物质。由宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚理工大学的研究人员领导的一项新研究表明，寄生植物d丝子从宿主身上偷走了大量的遗传物质，包括100多种功能基因。这些被盗的基因有助于d丝子抓住并偷走宿主的营养物质，甚至将遗传武器送回宿主。这项新研究于2019年7月22日刊登在Nature Plants杂志上。

“水平基因转移，遗传物质从一种生物体进入另一物种的基因组，在微生物中非常常见，是细菌获得抗生素抗性的主要途径，”宾夕法尼亚州立大学生物学教授Claude dePamphilis说。该研究的作者。“我们没有看到许多像植物这样的复杂生物中水平基因转移的例子，当我们看到它时，转移的遗传物质一般不被使用。在这项研究中，我们提出了功能水平基因已知的最具戏剧性的案例在复杂的生物体中发现的转移。“

像d丝子这样的寄生植物不能通过光合作用产生能量而独立生存。相反，他们使用称为haustoria的结构来利用宿主植物的水和养分供应。D丝子在其寄主植物周围包裹，生长到其血管组织中，并且通常一次喂食多株植物。它可以寄生许多不同的物种，野生植物以及农业和园艺重要的物种。

dePamphilis说：“寄生植物与宿主非常密切地生活在一起，提取养分。” “但是他们也在这个过程中获得了遗传物质，有时他们将这些物质整合到他们的基因组中。之前的研究集中在单个转移的基因上。在这里，我们使用基因组规模的基因表达数据集来确定是否有大量遗传物质进入通过水平基因转移实际上正在使用。“

该研究小组确定了108个通过水平基因转移添加到d丝子基因组中的基因，现在似乎在寄生虫中起作用，有助于吸收结构，防御反应和氨基酸代谢。一个被盗的基因甚至会产生一小段RNA，称为微小RNA，被送回宿主植物，充当可能在沉默宿主防御基因中发挥作用的武器。

该团队使用严格的标准来确定被盗遗传物质是否可能具有功能性：基因必须是全长的，它们必须包含基因的所有必需部分，它们必须转录成后来构建的RNA序列蛋白质，它们必须在相关结构中表达。该团队还探索了这些转移基因的进化，作为对功能的额外支持。

“我们将一个基因的基因序列与密切相关的基因进行比较，并寻找一个特殊的特征签名来说明该序列如何演变以判断它是否可能起作用，”dePamphilis说。“基因中的某些突变不影响基因编码的蛋白质，因此不影响基因的功能。当我们看到大量的这类突变时，与可能改变或破坏基因功能的突变相反，有力的证据表明，自然选择有助于保持蛋白质完整和有用。“

108种基因中有18种出现在所有d丝子物种中，这表明这些基因最初是由祖先形式的d丝子偷走并保存在现代物种中。

dePamphilis说：“这是任何研究首次发现水平基因转移发生在寄生虫群进化早期的证据”。“在这种情况下，这些基因中的18个存在于所有活体d丝子物种的共同祖先中，这可能有助于这些寄生虫的成功传播。”

该团队还确定了d丝子基因组中的42个区域似乎是由水平基因转移引起的，但没有任何功能基因。

dePamphilis说：“因为大量的遗传物质已通过水平基因转移而来，我们怀疑寄生植物无法过滤所产生的物质。” “但是，自然选择有助于维持有用的基因，并过滤掉不太有用的部分。”

研究人员目前正在研究遗传物质如何从宿主转移到寄生虫。他们还想探讨这种转移是否是单行道，或者宿主是否可以从其寄生虫中获取遗传物质。

“我们很想知道水平基因转移究竟有多广泛，”dePamphilis说。“我们只研究了一种d丝子，它只是4000多种寄生植物中的一种。功能基因的水平基因转移是否在其他物种中发生相同的程度？是否可能在非寄生植物中？复杂的生物？这可能是冰山一角。“

除了dePamphilis，研究团队还包括第一作者，研究时在宾夕法尼亚州立大学植物生物学研究生课程的研究生Zhen Zhen Yang，以及宾夕法尼亚州立大学的研究人员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; 和弗吉尼亚理工大学的研究人员Gunjune Kim和共同通讯作者James Westwood。这项工作部分由国家科学基金会和美国农业部资助。国家食品和农业研究所，宾夕法尼亚州立大学生物学系和宾夕法尼亚州哈克生命科学研究所提供了额外的支持。

故事来源：

材料由宾州州立大学提供